二十年前，現(xiàn)在是馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校教授的微生物學(xué)家Barry Goodell及其同事發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的系統(tǒng)，一些微生物用它來消化和回收木材。現(xiàn)已確定三種“褐腐真菌”可以分解生物量，但機(jī)制的細(xì)節(jié)尚不清楚。

現(xiàn)在，使用幾種互補(bǔ)的研究工具，Goodell及其同事報告了這種意外機(jī)制的新細(xì)節(jié)，令人驚訝的是，它不涉及酶，化學(xué)反應(yīng)的常用加速器。相反，Basidiomycota褐腐真菌，使用非酶促，螯合劑介導(dǎo)的生物催化方法，“與所研究的任何其他微生物使用的方法非常不同，”他說。螯合劑是結(jié)合金屬離子的有機(jī)化合物，在這種情況下，它們還產(chǎn)生“羥基自由基”以分解木材并產(chǎn)生簡單的積木化學(xué)品。

橡樹嶺國家實(shí)驗室的合作者將其描述為“理解生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的真菌生物催化的范式轉(zhuǎn)變”，這一發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在當(dāng)前的生物技術(shù)生物技術(shù)雜志上。Goodell說：“我們對真菌生物轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的研究著眼于一種新的機(jī)制，它可以用于生物煉油廠'解構(gòu)'木質(zhì)生物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為生物聚合物或能源產(chǎn)品的平臺化學(xué)品。”

棕色腐真菌出現(xiàn)在北半球和南半球，是北美最常見的腐爛真菌。因為它們最近進(jìn)化，與較老的白腐病種相比，褐腐病種類較少。“然而，由于它們降解木材的效率，棕色腐爛真菌已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，特別是在降解軟木中，”Goodell說，他們現(xiàn)在主要通過回收世界上大約80%的軟木生物量碳，主要發(fā)現(xiàn)在北半球的大森林。

Goodell指出，大多數(shù)微生物使用酶來分解化合物，但酶是巨大的分子，生理上“昂貴”，因為它們含有大量的氮。“科學(xué)家過去認(rèn)為這些真菌會在細(xì)胞壁上形成洞，讓大酶進(jìn)入，”他指出，這是一種預(yù)處理模型。“但正如我們在此解釋的那樣，這不是它的運(yùn)作方式。”

“我們研究的真菌使用的是非酶催化螯合劑介導(dǎo)的芬頓系統(tǒng)，這是一種非常簡單的過程，利用過氧化氫，也是由真菌系統(tǒng)產(chǎn)生的，以及在環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的鐵，”Goodell說。他補(bǔ)充說，他和同事們認(rèn)為褐腐真菌的效率來自于他們使用螯合劑介導(dǎo)的Fenton系統(tǒng)而不是像白腐真菌那樣僅使用酶。

Goodell指出，“這組棕色腐真菌想出了如何在遠(yuǎn)處產(chǎn)生羥基自由基，即遠(yuǎn)離真菌，使它們遠(yuǎn)離真皮，這樣自由基在破壞木材時不會自行損壞。”羥基自由基對細(xì)胞是非常有害的，細(xì)胞是生物系統(tǒng)中已知的最有效的氧化劑。

對于這項工作，Goodell及其同事，包括他的合作者Jody Jellison，現(xiàn)任麻省大學(xué)阿默斯特農(nóng)業(yè)，食品和環(huán)境中心主任，使用了一套調(diào)查方法，包括小角度中子散射(SANS)，和頻生成(SFG)光譜學(xué)，傅里葉變換紅外(FTIR)分析，X射線衍射(XRD)，原子力顯微鏡(AFM)和透射電子顯微鏡(TEM)來充分描述該過程。

Goodell說，“這些真菌確實(shí)產(chǎn)生了有限數(shù)量的酶，但是它們在真菌使用螯合劑進(jìn)行非酶促作用轉(zhuǎn)化后發(fā)揮作用。螯合劑是次級代謝產(chǎn)物，其功能不易使用'組學(xué)'技術(shù)如此盡管使用了許多先進(jìn)的技術(shù)，我們看到一些非常小的低分子量化合物正在進(jìn)入細(xì)胞壁。這篇新論文描述了如何。“

Goodell和Jellison講述了一個從流明中的真菌開始的過程 - 植物細(xì)胞內(nèi)部的空心空間。使用它們的菌絲，線狀生長細(xì)絲，真菌然后對木細(xì)胞組分發(fā)生生化攻擊。

正如Goodell解釋的那樣，“這組真菌通過首先將螯合劑擴(kuò)散到細(xì)胞壁中而進(jìn)化出打破木質(zhì)基質(zhì)的方法。真菌制造螯合劑并從氧氣中產(chǎn)生過氧化氫，它們一起開始消化細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞壁。在木材，葡萄糖的基本構(gòu)件中發(fā)現(xiàn)的糖，真菌可以用作食物。這就是這些真菌在吃木頭的方式。“