Cómo las hormigas cortadoras de hojas cultivan un jardín de hongos para degradar plantas podría proporcionar información sobre los biocombustibles del futuro.

1 de febrero de 2024

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por Maegan Murray, Pacific Northwest National Laboratory

Los científicos han pasado décadas buscando formas de degradar de manera eficiente y asequible los materiales vegetales para convertirlos en bioproductos útiles que beneficien la vida cotidiana.

Los combustibles bioetanol, los detergentes, los suplementos nutricionales e incluso los plásticos son el resultado de este trabajo. Y aunque los científicos han encontrado formas de degradar las plantas hasta el punto necesario para producir una variedad de productos, ciertos polímeros como la lignina, que es un ingrediente principal de la pared celular de las plantas, siguen siendo increíblemente difíciles de degradar de manera asequible sin agregar contaminantes al medio ambiente. Estos polímeros pueden quedar como residuos sin ningún otro uso.

Se sabe que una comunidad microbiana especializada compuesta por hongos, hormigas cortadoras de hojas y bacterias degrada naturalmente las plantas, convirtiéndolas en nutrientes y otros componentes que son absorbidos y utilizados por los organismos y sistemas circundantes. Pero identificar todos los componentes y reacciones bioquímicas necesarios para el proceso ha sido un desafío significativo, hasta ahora.

Kristin Burnum-Johnson, líder del grupo de ciencias de la Funcionalidad y Biología de Sistemas en el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), y un equipo de investigadores del PNNL han desarrollado un método de imagen llamado metabolome informed proteome imaging (MIPI). Este método permite a los científicos observar al nivel molecular exactamente qué componentes base forman parte del proceso de degradación de las plantas, así como qué, cuándo y dónde ocurren importantes reacciones bioquímicas que lo hacen posible.

Utilizando este método, el equipo reveló metabolitos y enzimas importantes que impulsan diferentes reacciones bioquímicas vitales en el proceso de degradación. También revelaron el propósito de las bacterias residentes en el sistema, que es hacer el proceso aún más eficiente. Estas ideas se pueden aplicar al desarrollo futuro de biocombustibles y bioproductos.

La investigación del equipo fue publicada recientemente en Nature Chemical Biology.

Relación simbiótica entre hormigas cortadoras de hojas y hongos revela la clave del éxito en la degradación de las plantas

Para su investigación, el equipo estudió un tipo de hongo conocido por su relación simbiótica con una especie de hormigas cortadoras de hojas, un hongo conocido como Leucoagaricus gongylophorus. Las hormigas utilizan el hongo para cultivar un jardín fúngico que degrada los polímeros vegetales y otros materiales. Los componentes residuales de este proceso de degradación son utilizados y consumidos por una variedad de organismos en el jardín, lo que permite que todos prosperen.

Las hormigas logran este proceso cultivando el hongo en hojas frescas en estructuras subterráneas especializadas. Estas estructuras se convierten en los jardines fúngicos que consumen el material. Los miembros bacterianos residentes ayudan en la degradación produciendo aminoácidos y vitaminas que apoyan el ecosistema general del jardín.

"Los sistemas ambientales han evolucionado durante millones de años para ser sistemas simbióticos perfectos", dijo Burnum-Johnson. "¿Cómo podemos aprender mejor de estos sistemas que observando cómo logran estas tareas de manera natural?"

Pero lo que hace que esta comunidad fúngica sea tan difícil de estudiar es su complejidad. Si bien las plantas, los hongos, las hormigas y las bacterias son todos componentes activos en el proceso de degradación de las plantas, ninguno de ellos se centra en una tarea o reside en un solo lugar. Si se añade el tamaño a pequeña escala de las reacciones bioquímicas que ocurren a nivel molecular, se presenta un puzzle increíblemente difícil. Pero el nuevo método de imagen MIPI desarrollado en PNNL permite a los científicos ver exactamente lo que está sucediendo en todo el proceso de degradación.

"Ahora tenemos las herramientas para comprender completamente las complejidades de estos sistemas y visualizarlos en su totalidad por primera vez", dijo Burnum-Johnson.

Utilizando un láser de alta potencia, el equipo realizó escaneos en secciones de 12 micrones de grosor de un jardín fúngico, aproximadamente el ancho de una película de plástico adherente. Este proceso ayudó a determinar las ubicaciones de los metabolitos en las muestras, que son productos remanentes de la degradación de las plantas. Esta técnica también ayudó a identificar la ubicación y abundancia de polímeros vegetales como la celulosa, la xilana y la lignina, así como otras moléculas en regiones específicas. Las ubicaciones combinadas de estos componentes indicaron puntos calientes donde se había descompuesto material vegetal.

A partir de ahí, el equipo se enfocó en esas regiones para ver las enzimas, que se utilizan para iniciar reacciones bioquímicas en un sistema vivo. Conocer el tipo y la ubicación de estas enzimas les permitió determinar qué microbios formaban parte de ese proceso.

All of these components together helped affirm the fungus as the primary degrader of the plant material in the system. Additionally, the team determined that the bacteria present in the system transformed previously digested plant polymers into metabolites that are used as vitamins and amino acids in the system. These vitamins and amino acids benefit the entire ecosystem by accelerating fungal growth and plant degradation.

Burnum-Johnson said if scientists had used other more traditional methods that take bulk measurements of primary components in a system, such as metabolites, enzymes, and other molecules, they would simply get an average of those materials, creating more noise and masking information.

'It dilutes the important chemical reactions of interest, often making these processes undetectable,' she said. 'To analyze the complex environmental ecosystems of these fungal communities, we need to know those fine detail interactions. These conclusions can then be taken back into a lab setting and used to create biofuels and bioproducts that are important in our everyday life.'

Marija Velickovic, a chemist and lead author of the paper, said she initially became interested in studying the fungal garden and how it degrades lignin based on the difficulty of the project.

'Fungal gardens are the most interesting because they are one of the most complex ecosystems composed of multiple members that effectively work together,' she said. 'I really wanted to map activities at the microscale level to better understand the role of each member in this complex ecosystem.'

Velickovic performed all the hands-on experiments in the lab, collecting material for the slides, scanning the samples to view and identify metabolites in each of the sections, and identifying hot spots of lignocellulose degradation.

Both Velickovic and Burnum-Johnson said they are ecstatic about their team's success.

'We actually accomplished what we set out for,' Burnum-Johnson said. 'Especially in science, that isn't guaranteed.'

The team plans to use its findings for further research, with specific plans to study how fungal communities respond and protect themselves amid disturbances and other perturbations.

'We now have an understanding of how these natural systems degrade plant material very well,' Burnum-Johnson said. 'By looking at complex environmental systems at this level, we can understand how they are performing that activity and capitalize on it to make biofuels and bioproducts.'

Provided by Pacific Northwest National Laboratory