Come le formiche tagliafoglie coltivano un giardino fungino per degradare le piante potrebbe fornire informazioni preziose sui biocarburanti futuri.

1 febbraio 2024

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a cura di Maegan Murray, Pacific Northwest National Laboratory

Gli scienziati hanno trascorso decenni a cercare modi efficienti ed economici per degradare i materiali vegetali in modo che possano essere convertiti in utili bioprodotti che beneficiano la vita quotidiana.

Carburanti a base biologica, detergenti, integratori alimentari e persino plastica sono il risultato di questo lavoro. E sebbene gli scienziati abbiano trovato modi per degradare le piante fino al punto necessario per produrre una serie di prodotti, alcuni polimeri come la lignina, che è un ingrediente primario nella parete cellulare delle piante, rimangono incredibilmente difficili da degradare a basso costo senza reintrodurre inquinanti nell'ambiente. Questi polimeri possono essere lasciati come rifiuti senza ulteriori utilizzi.

Una comunità microbica specializzata composta da funghi, formiche tagliafoglie e batteri è nota per degradare naturalmente le piante, trasformandole in nutrienti e altri componenti che vengono assorbiti e utilizzati dagli organismi e dai sistemi circostanti. Ma identificare tutti i componenti e le reazioni biochimiche necessarie per il processo è rimasto un problema significativo, fino ad ora.

Kristin Burnum-Johnson, leader del gruppo scientifico per la biologia funzionale e dei sistemi presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), e un team di altri ricercatori del PNNL hanno sviluppato un metodo di imaging chiamato metabolome informed proteome imaging (MIPI). Questo metodo consente agli scienziati di scrutare a livello molecolare e vedere esattamente quali sono i componenti di base che fanno parte del processo di degradazione delle piante e quali reazioni biochimiche importanti avvengono, quando e dove, rendendolo possibile.

Utilizzando questo metodo, il team ha rivelato importanti metaboliti e enzimi che stimolano diverse reazioni biochimiche vitali nel processo di degradazione. Hanno anche rivelato lo scopo dei batteri residenti nel sistema, che è rendere il processo ancora più efficiente. Queste conoscenze possono essere applicate allo sviluppo futuro di biocarburanti e bioprodotti.

La ricerca del team è stata recentemente pubblicata su Nature Chemical Biology.

La relazione simbiotica tra le formiche tagliafoglie e il fungo rivela la chiave del successo nella degradazione delle piante

Per la loro ricerca, il team ha studiato un tipo di fungo noto per la sua relazione simbiotica con una specie di formiche tagliafoglie - un fungo noto come Leucoagaricus gongylophorus. Le formiche utilizzano il fungo per coltivare un giardino fungino che degrada i polimeri delle piante e altri materiali. I rimanenti componenti di questo processo di degradazione vengono utilizzati e consumati da una varietà di organismi nel giardino, permettendo a tutti di prosperare.

Le formiche compiono questo processo coltivando il fungo su foglie fresche in strutture specializzate sotterranee. Queste strutture diventano infine i giardini fungini che consumano il materiale. I membri batterici residenti contribuiscono alla degradazione producendo aminoacidi e vitamine che sostengono l'ecosistema generale del giardino.

'I sistemi ambientali si sono evoluti nel corso di milioni di anni per essere perfetti sistemi simbiotici', ha detto Burnum-Johnson. 'Come possiamo imparare meglio da questi sistemi se non osservando come riescono a compiere queste attività in modo naturale?'

Ma ciò che rende così difficile lo studio di questa comunità fungina è la sua complessità. Mentre piante, fungo, formiche e batteri sono tutti componenti attivi nel processo di degradazione delle piante, nessuno di loro si concentra su un singolo compito né risiede in una sola posizione. Considerando anche la scala ridotta delle reazioni biochimiche che avvengono a livello molecolare, si presenta un rompicapo incredibilmente difficile. Ma il nuovo metodo di imaging MIPI sviluppato presso il PNNL consente agli scienziati di vedere esattamente cosa sta accadendo durante tutto il processo di degradazione.

'Ora abbiamo gli strumenti per comprendere appieno le complessità di questi sistemi e visualizzarli nella loro interezza per la prima volta', ha detto Burnum-Johnson.

Utilizzando un laser ad alta potenza, il team ha scansionato sezioni di un giardino fungino spesse 12 micron - circa lo spessore di una pellicola aderente. Questo processo ha aiutato a determinare le posizioni dei metaboliti nei campioni, che sono prodotti residui della degradazione delle piante. Questa tecnica ha anche aiutato a identificare la posizione e l'abbondanza di polimeri vegetali come cellulosa, xilano e lignina, così come altre molecole in regioni specifiche. Le posizioni combinate di questi componenti hanno indicato punti caldi in cui il materiale vegetale era stato degradato.

Da lì, il team si è concentrato su quelle regioni per identificare gli enzimi, che vengono utilizzati per avviare reazioni biochimiche in un sistema vivente. Sapere il tipo e la posizione di questi enzimi ha permesso loro di determinare quali microrganismi facevano parte di quel processo.

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