像我們大多數(shù)人一樣，樹木不想活著吃。為了防止這種令人毛骨悚然的命運，他們在大約4億年前開發(fā)出極其堅韌的細胞壁。數(shù)百萬年來，沒有任何東西可以分解木質(zhì)素，這是細胞壁中最強的物質(zhì)。當一棵樹死了，它只是沉入了它生長的沼澤地。當化石記錄開始顯示樹木在大約3億年前破裂時，大多數(shù)科學家認為這是因為當時無處不在的沼澤正在枯竭。但克拉克大學的生物學家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)科學辦公室支持的進化生物學研究，Hibbett及其團隊證實了她的理論。他們發(fā)現(xiàn)，正如她預測，一組真菌稱為“白腐真菌 ”演變?yōu)榉纸饽举|(zhì)素大致相同的時間煤炭形成急劇下降的能力。他的研究表明了白腐真菌對地球進化的重要性。

真菌仍然是不可或缺的。自然世界的短期廚師，他們有一個無人問津的工作，使我們其他人可以獲得營養(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胞壁，包括木質(zhì)素。這使得其他生物更容易使用那些細胞壁中的碳。美國能源部太平洋西北國家實驗室的生物學家斯科特貝克說：“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所包圍，那么植物就更難獲得它們所需的營養(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，美國能源部科學辦公室支持的科學家正在研究真菌如何進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。樹木的細胞壁含有木質(zhì)素，可以樹木并幫助它們抵抗腐爛。如果沒有木質(zhì)素，加利福尼亞紅杉和亞馬遜木棉花將無法在數(shù)百英尺的空中翱翔。樹木的細胞壁也包括纖維素，這種化合物更容易消化，但仍難以分解成單糖。

通過與樹木共同進化，真菌設法繞過這些防御。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，它們在分解纖維素方面也要好得多。事實上，真菌比人和我們開發(fā)的機器更好。生物能源工業(yè)還不能有效且經(jīng)濟地分解木質(zhì)素，木質(zhì)素是將非食用植物如楊樹轉(zhuǎn)化為生物燃料所必需的。大多數(shù)當前的工業(yè)過程燃燒木質(zhì)素或用昂貴且低效的化學品處理木質(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)濟實惠和可持續(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)分析的進步使我們能夠看到這些短期廚師如何在他們的廚房中工作?？茖W家們可以在野外采集真菌，并在實驗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化上相互關聯(lián)，科學家可以追蹤真菌隨著時間的推移而獲得或失去的基因。他們還可以檢查個體真菌在任何時候“開啟”或“關閉”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目利用了聯(lián)合基因組研究所(JGI)和環(huán)境分子科學實驗室(EMSL)的資源，這兩個實驗室都是科學辦公室的用戶設施。

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。這個群體仍然是一個主要的參與者，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，白腐真菌使用強酶，蛋白質(zhì)加速化學反應。這些酶分解了許多木質(zhì)素的化學鍵，將其轉(zhuǎn)化為單糖并將二氧化碳釋放到空氣中。白腐病在腐爛木質(zhì)素方面比任何其他類型的真菌更好。

布朗腐爛

與白腐病的強大效果相比，科學界一直認為被稱為褐腐病菌的群體很弱。那是因為褐腐真菌不能完全分解木質(zhì)素。

回顧他在20世紀80年代的大學課程，馬薩諸塞大學阿默斯特分校的教授Barry Goodell說：“當時的教師認為這些可憐的小東西是原始的。”

永遠不要低估真菌。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合作的科學家發(fā)現(xiàn)的那樣，棕腐病與白腐病相比并不原始。事實上，褐腐病實際上是從早期的白腐真菌中進化而來的。隨著棕色腐爛物種的進化，它們實際上失去了編碼木質(zhì)素破壞酶的基因。

就像好廚師適應新廚房一樣，進化導致褐腐真菌找到更好的方法。他們不是單獨釋放能量密集型酶的強力，而是通過更有效的“螯合劑介導的芬頓反應”(CMF)過程補充酶的作用。該過程通過產(chǎn)生過氧化氫和其他化學物質(zhì)來破壞木質(zhì)細胞壁。這些化學物質(zhì)在環(huán)境中自然地與鐵反應以分解木材。這個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細胞壁中的其他化學物質(zhì)。

這個發(fā)現(xiàn)只有一個問題。從理論上講，CMF的化學反應非常強烈，它應該分解真菌和它所依賴的酶。明尼蘇達大學(University of Minnesota)副教授喬納森•席林(Jonathan Schilling)表示，“它最終將自行消失”。

科學家的主要理論是真菌在反應和酶之間形成了物理屏障。為了測試這個想法，席林和他的團隊在非常薄的木頭上種了一種褐腐病菌。當他們看著真菌在木頭上行進時，他們看到真菌正在打破這個過程而不是在太空中，而是在時間上。首先，它表達了產(chǎn)生腐蝕反應的基因。兩天后，它表達了產(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小時是一個短暫的時間。

科學家們?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反應完成了大部分工作。Goodell的研究小組報告稱，CMF反應可能會使一塊松木的液化率高達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。

并非所有真菌都是孤立的。許多類型與動物共生，因為真菌和動物相互依賴以獲得基本服務。

與Rumens合作

吃草的奶牛和其他動物依靠腸道真菌和其他微生物來幫助分解木材細胞壁中的木質(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和她在加州大學圣巴巴拉分校的團隊在木質(zhì)纖維素上種植了幾種腸道真菌。然后他們喂他們簡單的糖。由于真菌“吃”了簡單的糖，他們停止了打破細胞壁的艱苦工作，比如選擇外賣而不是在家做飯。

根據(jù)食物來源，真菌“關閉”某些基因并改變它們產(chǎn)生的酶?？茖W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

有些真菌在動物的內(nèi)臟之外工作，就像那些與白蟻結(jié)合的真菌一樣。與吃草或葉子的動物相比，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的室內(nèi)。經(jīng)過45天的真菌分解后，較老的白蟻會吃這種混合物。到最后，木材幾乎被完全消化。

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

科學家們認為大部分分解發(fā)生在腸道外，對年輕白蟻的工作不予理睬。但威斯康星大學麥迪遜分校的生物學家李鴻基想知道是否有更年輕的昆蟲值得信賴。他發(fā)現(xiàn)年輕工人的膽量會破壞木質(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。由于與白蟻相關的真菌和腸道微生物群最近已經(jīng)進化，這一發(fā)現(xiàn)可能為新的創(chuàng)新打開了大門。

從實驗室到制造車間

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)真菌和相關的微生物群的酶和其他化學品。當他們分析白蟻 - 真菌系統(tǒng)時，科學家發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種獨特的酶。

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

一種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)培育的生物體中，如酵母或大腸桿菌。一個更加激進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。通過對他們能力的新認識，科學家們正在幫助我們理解它們對地球過去和未來的重要性。