Группа исследователей под руководством экспертов из голландского института биоразнообразия грибов Вестердейка провела масштабный мультиомиксный анализ пяти видов нитчатых грибов, выращенных на сельскохозяйственных кормах. Ученым удалось поминутно разобрать генетические и метаболические механизмы, с помощью которых природные деструкторы расщепляют жесткую растительную биомассу. Это открытие позволит генетикам «скопировать» лучшие эволюционные решения для создания биофабрик по переработке отходов в экологически чистое топливо и биопластик.
Растительная биомасса, остающаяся после сбора урожая (солома, кукурузный силос, жом), — это тонны дешевого и возобновляемого углеродного сырья. Однако природа надежно защитила растения: их клеточные стенки состоят из лигноцеллюлозы — сверхпрочного каркаса из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Пытаться разрушить этот каркас промышленной химией или экстремальным нагревом — дорого, неэкологично и малоэффективно. В то же время в живой природе нитчатые грибы легко справляются с этой задачей, «растворяя» упавшие деревья и сухую траву. Они используют уникальный арсенал углевод-активных ферментов (CAZymes). До сих пор наука не знала в точных деталях, как именно грибы координируют запуск этих ферментов на молекулярном уровне при столкновении с реальными типами аграрных отходов.
Чтобы раскрыть секреты природных деструкторов, консорциум ученых из Нидерландов и США (включая специалистов Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории PNNL) отобрал пять эволюционно разных видов грибов. Их высадили на два типа распространенных сельскохозяйственных кормов, богатых лигноцеллюлозой. За ростом и питанием грибов следили с помощью передовых приборов в научных комплексах Министерства энергетики США (DOE).
Ученые целенаправленно отобрали аскомицеты (Ascomycota) — эта группа грибов известна своей способностью производить колоссальное количество ферментов для расщепления сложных сахаров и биополимеров.
В эксперименте использовались различные виды из биотехнологически и промышленно важных родов, в первую очередь, Aspergillus (включая такие виды, как Aspergillus niger или Aspergillus nidulans) — классические промышленные «рабочие лошадки», которые активно используются для получения лимонной кислоты и коммерческих ферментов, и Penicillium — род грибов, знаменитый не только пенициллином, но и мощными ферментными системами, способными разрушать растительные остатки при самых разных температурах. Эти микроорганизмы были выбраны потому, что они являются эволюционно близкими, но при этом используют принципиально разные молекулярные стратегии (дивергентные механизмы) при столкновении с пищей. Одни виды делают ставку на быструю атаку легкодоступных сахаров, другие — на постепенную долговременную осаду сложных полимеров лигнина и целлюлозы.
Биологи применили комплексный мультиомиксный подход, объединив три уровня анализа:
Транскриптомику — узнать, какие гены деструкции активируются в ДНК гриба в ответ на корм.Протеомику — зафиксировать, какие именно белки-разрушители (ферменты) физически синтезирует гриб.Метаболомику — проанализировать конечные продукты расщепления и обмена веществ.Анализ показал, что у каждого вида гриба выработалась своя уникальная молекулярная стратегия. В зависимости от типа корма и времени, прошедшего с начала эксперимента, профили экспрессии генов отличались. Одни виды грибов действовали как «спринтеры»: они мгновенно активировали гены переносчиков сахаров и выбрасывали агрессивные ферменты, быстро поглощая легкодоступные углеводы. Другие виды оказались «стайерами»: они медленнее включались в процесс, но более эффективно перестраивали свой метаболизм для долгосрочного разрушения самого стойкого и сложного компонента — лигнина.
Ключевые изменения во всех случаях коснулись групп генов CAZymes, которые отвечают за точечное расщепление конкретных растительных полимеров.
Главный вывод исследования в том, что промышленной биотехнологии не нужно слепо полагаться на какой-то один «универсальный» микроорганизм. Дикие грибы работают медленно и зависят от внешних условий. Однако теперь, когда известны их молекулярные механизмы, ученые могут комбинировать их лучшие свойства.
Результаты этого исследования, опубликованного в журнале MicrobiologyOpen, помогут в разработке будущих систем на основе грибов для преобразования сельскохозяйственных отходов в биотопливо, биохимические вещества и другие ценные биопродукты.