像我們大多數(shù)人一樣，樹木不想被活著吃掉。為了防止這種令人毛骨悚然的命運(yùn)，他們?cè)诖蠹s4億年前開發(fā)了極其堅(jiān)韌的細(xì)胞壁。數(shù)百萬年來，沒有任何東西可以分解木質(zhì)素，這是細(xì)胞壁中最強(qiáng)的物質(zhì)。當(dāng)一棵樹死了之后，它就沉入了它生長(zhǎng)的沼澤地。當(dāng)化石記錄開始顯示樹木在大約3億年前破裂時(shí)，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)無處不在的沼澤正在枯竭。

但克拉克大學(xué)的生物學(xué)家David Hibbett懷疑這不是全部。研究員詹妮弗羅賓遜的另一種理論引起了他的興趣。她認(rèn)為，與其僅僅是生態(tài)系統(tǒng)變化相比，其他一些因素起了重要作用 - 一種能夠分解木質(zhì)素的能力。通過能源部(DOE)科學(xué)辦公室支持的進(jìn)化生物學(xué)研究，Hibbett及其團(tuán)隊(duì)證實(shí)了她的理論。他們發(fā)現(xiàn)，正如她預(yù)測(cè)，一組真菌稱為“白腐真菌”演變?yōu)榉纸饽举|(zhì)素大致相同的時(shí)間煤炭形成急劇下降的能力。他的研究表明了白腐真菌對(duì)地球進(jìn)化的重要性。

真菌仍然是不可或缺的。自然世界的短期廚師，他們有一個(gè)無人問津的工作，使我們其他人可以獲得營(yíng)養(yǎng)。就像烹飪菠菜使其更容易消化一樣，一些真菌可以分解植物細(xì)胞壁，包括木質(zhì)素。這使得其他生物更容易使用那些細(xì)胞壁中的碳。

美國能源部太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的生物學(xué)家斯科特貝克說：“我們都生活在真菌的消化道中。”如果我們沒有被腐爛死亡植物材料的真菌包圍，那么植物將更難獲得它們所需的營(yíng)養(yǎng)。

為了解真菌在生態(tài)系統(tǒng)中的作用并支持生物燃料研究，美國能源部科學(xué)辦公室支持的科學(xué)家正在研究真菌如何進(jìn)化以分解木材和其他植物。

真菌的特殊技能

真菌面臨著艱巨的任務(wù)。樹木的細(xì)胞壁含有木質(zhì)素，木質(zhì)素可以阻擋樹木并幫助它們抵抗腐爛。如果沒有木質(zhì)素，加利福尼亞州的紅杉和亞馬遜木棉花將無法在數(shù)百英尺的空中翱翔。樹木的細(xì)胞壁也包括纖維素，這種化合物更容易被消化，但仍難以分解成單糖。

通過與樹木共同進(jìn)化，真菌設(shè)法繞過這些防御。真菌是唯一可以分解或顯著改變木質(zhì)素的主要生物。與大多數(shù)其他生物相比，它們?cè)诜纸饫w維素方面也要好得多。

事實(shí)上，真菌比人和我們開發(fā)的機(jī)器更好。生物能源工業(yè)還不能有效且經(jīng)濟(jì)地分解木質(zhì)素，木質(zhì)素是將非楊樹等非食用植物轉(zhuǎn)化為生物燃料所必需的。大多數(shù)當(dāng)前的工業(yè)過程燃燒木質(zhì)素或用昂貴且低效的化學(xué)品處理木質(zhì)素。了解真菌如何分解木質(zhì)素和纖維素可以使這些過程更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠和可持續(xù)發(fā)展。

追蹤真菌家譜

雖然真菌幾乎遍布地球上的任何地方，但遺傳和蛋白質(zhì)分析的進(jìn)步使我們能夠看到這些短序廚師如何在他們的廚房中工作。科學(xué)家可以在野外采集真菌，并在實(shí)驗(yàn)室中分析其基因組成。

通過比較不同類型真菌中的基因以及這些真菌如何在進(jìn)化上相互關(guān)聯(lián)，科學(xué)家們可以追蹤真菌隨著時(shí)間的推移而獲得或失去的基因。他們還可以檢查個(gè)體真菌在任何時(shí)候“開啟”或“關(guān)閉”的基因。

通過鑒定真菌的基因及其產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，科學(xué)家可以匹配哪些基因編碼哪些蛋白質(zhì)。許多尋求這樣做的項(xiàng)目利用了聯(lián)合基因組研究所(JGI)和環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(EMSL)的資源，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室都是科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

了解腐爛

正如不同的廚師使用不同的技術(shù)一樣，真菌有多種方法可以分解木質(zhì)素，纖維素和木材細(xì)胞壁的其他部分。

白腐

雖然真菌出現(xiàn)在數(shù)百萬年前，但被稱為白腐病的真菌群是第一種分解木質(zhì)素的真菌。這個(gè)群體仍然是一個(gè)主要的參與者，在森林中留下木質(zhì)片狀和漂白的外觀。

“白腐是驚人的，”希伯特說。

為了分解木質(zhì)素，白腐真菌使用強(qiáng)酶，蛋白質(zhì)加速化學(xué)反應(yīng)。這些酶分解了許多木質(zhì)素的化學(xué)鍵，將其轉(zhuǎn)化為單糖并將二氧化碳釋放到空氣中。在任何其他類型的真菌中腐爛木質(zhì)素仍然更好。

布朗腐爛

與白腐病的強(qiáng)效作用相比，科學(xué)界一直認(rèn)為被稱為褐腐真菌的群體很弱。那是因?yàn)楹指婢荒芡耆纸饽举|(zhì)素。

回顧他在20世紀(jì)80年代的大學(xué)課程，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的教授Barry Goodell說：“當(dāng)時(shí)的教師認(rèn)為這些可憐的小東西是原始的。”

永遠(yuǎn)不要低估真菌。盡管褐腐真菌僅占分解木材的物種的6%，但它們分解了世界上80%的松樹和其他針葉樹。正如2009年與JGI合作的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的那樣，棕腐病與白腐病相比并不原始。事實(shí)上，褐腐病實(shí)際上是從早期的白腐真菌中進(jìn)化而來的。隨著棕色腐爛物種的進(jìn)化，它們實(shí)際上失去了編碼木質(zhì)素破壞酶的基因。

就像好廚師適應(yīng)新廚房一樣，進(jìn)化導(dǎo)致褐腐真菌找到更好的方法。他們不是單獨(dú)釋放能量密集型酶的蠻力，而是通過更有效的“螯合劑介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)”(CMF)過程補(bǔ)充酶的作用。該過程通過產(chǎn)生過氧化氫和其他化學(xué)物質(zhì)來破壞木質(zhì)細(xì)胞壁。這些化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境中自然地與鐵反應(yīng)以分解木材。這個(gè)過程不是完全分解木質(zhì)素，而是將其改造得足以使真菌到達(dá)細(xì)胞壁中的其他化學(xué)物質(zhì)。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)問題。從理論上講，CMF的化學(xué)反應(yīng)非常強(qiáng)烈，它應(yīng)該分解真菌和它所依賴的酶。明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)副教授喬納森•席林(Jonathan Schilling)表示，“它最終會(huì)自行消失”。

科學(xué)家的主要理論是，真菌在反應(yīng)和酶之間形成了物理屏障。為了測(cè)試這個(gè)想法，席林和他的團(tuán)隊(duì)在非常薄的木頭上種了一種褐腐病菌。當(dāng)他們看著真菌在木頭上行進(jìn)時(shí)，他們看到真菌正在破壞這個(gè)過程而不是在太空中，而是在時(shí)間上。首先，它表達(dá)了產(chǎn)生腐蝕反應(yīng)的基因。兩天后，它表達(dá)了產(chǎn)生酶的基因?？紤]到真菌可能需要數(shù)年甚至數(shù)十年來分解日志，48小時(shí)是一個(gè)短暫的時(shí)間。

科學(xué)家們?nèi)栽谠噲D弄清楚CMF過程扮演的角色。席林和志同道合的研究人員認(rèn)為酶仍然是這一過程的主要部分，而古德爾的研究表明，CMF反應(yīng)完成了大部分工作。Goodell的研究小組報(bào)告說，CMF反應(yīng)可以使一塊松木的液化率高達(dá)75%。

無論哪種方式，CMF過程為生物精煉廠提供了巨大的潛力。使用褐腐真菌的預(yù)處理可以使工業(yè)使用更少的昂貴，能量密集的酶。

并非所有真菌都是獨(dú)立的。許多類型與動(dòng)物共生，因?yàn)檎婢蛣?dòng)物相互依賴，提供基本服務(wù)。

與Rumens合作

吃草的奶牛和其他動(dòng)物依靠腸道真菌和其他微生物幫助分解木材細(xì)胞壁中的木質(zhì)素，纖維素和其他物質(zhì)。雖然真菌僅占腸道微生物的8%，但它們分解了50%的生物量。

為了確定腸道真菌產(chǎn)生的酶，Michelle O'Malley和她在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的團(tuán)隊(duì)在木質(zhì)纖維素上種植了幾種腸道真菌。然后他們喂他們簡(jiǎn)單的糖。由于真菌“吃”了簡(jiǎn)單的糖，他們停止了打破細(xì)胞壁的艱苦工作，比如選擇外賣而不是在家做飯。

根據(jù)食物來源，真菌“關(guān)閉”某些基因并改變它們產(chǎn)生的酶。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些真菌產(chǎn)生的酶比工業(yè)上使用的真菌多出數(shù)百種。他們還發(fā)現(xiàn)，酶一起工作比目前的工業(yè)過程更有效。

“這是我們從未見過的酶的巨大差異，”奧馬利說。

O'Malley最近的研究表明，通過連接腸道真菌產(chǎn)生的酶組，工業(yè)可以更有效地生產(chǎn)生物燃料。

白蟻為真菌農(nóng)民

有些真菌在動(dòng)物腸道外工作，就像那些與白蟻搭配的真菌一樣。與吃草或葉子的動(dòng)物相比，熱帶白蟻在分解木材方面更有效，兩者都更容易消化。年輕的白蟻首先將真菌孢子與木材混合在一起，然后將它們放在受保護(hù)的室內(nèi)。經(jīng)過45天的真菌分解后，較老的白蟻會(huì)吃這種混合物。到最后，木材幾乎被完全消化。

“用于食物的真菌培養(yǎng)[通過白蟻]是地球上最顯著的共生形式之一，”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授，美國能源部大湖生物能源研究中心研究員Cameron Currie說。

科學(xué)家們認(rèn)為，大部分分解發(fā)生在腸道外，對(duì)年輕白蟻的工作不予理睬。但威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的生物學(xué)家李鴻基想知道，年幼的昆蟲是否應(yīng)得到更多的信任。他發(fā)現(xiàn)年輕工人的膽量會(huì)破壞木質(zhì)素的大部分。此外，所涉及的真菌不使用任何典型的白色或棕色腐真菌產(chǎn)生的酶。由于與白蟻相關(guān)的真菌和腸道微生物群最近已經(jīng)進(jìn)化，這一發(fā)現(xiàn)可能為新的創(chuàng)新打開了大門。

從實(shí)驗(yàn)室到制造車間

從森林地面到白蟻丘，真菌分解可為生物燃料生產(chǎn)提供新工具。一種途徑是工業(yè)直接生產(chǎn)真菌和相關(guān)的微生物群的酶和其他化學(xué)品。當(dāng)他們分析白蟻 - 真菌系統(tǒng)時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種獨(dú)特的酶。

“我們正試圖挖掘基因，發(fā)現(xiàn)一些超級(jí)酶進(jìn)入行業(yè)水平，”李說。

更有希望的途徑可能是公司將編碼這些酶的基因轉(zhuǎn)移到它們已經(jīng)培養(yǎng)的生物體中，如酵母或大腸桿菌。一個(gè)更加激進(jìn)但可能富有成效的途徑是工業(yè)界模仿天然真菌群落。

數(shù)百萬年來，真菌已經(jīng)成為短期廚師，以打破木材和其他植物。通過對(duì)他們能力的新認(rèn)識(shí)，科學(xué)家們正在幫助我們理解他們對(duì)地球過去和未來的重要性。