Wissenschaftler haben Jahrzehnte damit verbracht, Wege zu finden, Pflanzenmaterialien effizient und kostengünstig abzubauen, damit sie in nützliche Bioprodukte umgewandelt werden können, die dem täglichen Leben zugute kommen.
Das Ergebnis dieser Arbeit sind biobasierte Kraftstoffe, Waschmittel, Nahrungsergänzungsmittel und sogar Kunststoffe. Und obwohl Wissenschaftler Möglichkeiten gefunden haben, Pflanzen in dem Ausmaß abzubauen, das für die Herstellung einer Reihe von Produkten erforderlich ist, ist es nach wie vor äußerst schwierig, bestimmte Polymere wie Lignin, einen Hauptbestandteil der Zellwand von Pflanzen, kostengünstig abzubauen, ohne ihnen wieder Schadstoffe hinzuzufügen die Umgebung. Diese Polymere können als Abfallprodukte ohne weitere Verwendung zurückbleiben.
Es ist bekannt, dass eine spezialisierte mikrobielle Gemeinschaft aus Pilzen, Blattschneiderameisen und Bakterien Pflanzen auf natürliche Weise abbaut und sie in Nährstoffe und andere Bestandteile umwandelt, die von umliegenden Organismen und Systemen aufgenommen und genutzt werden. Doch die Identifizierung aller für den Prozess erforderlichen Komponenten und biochemischen Reaktionen blieb – bis jetzt – eine große Herausforderung.
Kristin Burnum-Johnson, wissenschaftliche Gruppenleiterin für Funktions- und Systembiologie am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), und ein Team von PNNL-Forscherkollegen haben eine Bildgebungsmethode namens Metabolome Informed Proteome Imaging (MIPI) entwickelt. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, tief auf die molekulare Ebene zu blicken und genau zu sehen, welche Grundbestandteile Teil des pflanzlichen Abbauprozesses sind und welche wichtigen biochemischen Reaktionen, die ihn ermöglichen, wann und wo ablaufen.
Mit dieser Methode entdeckte das Team wichtige Metaboliten und Enzyme, die verschiedene biochemische Reaktionen auslösen, die für den Abbauprozess von entscheidender Bedeutung sind. Sie enthüllten auch den Zweck der im System ansässigen Bakterien – nämlich den Prozess noch effizienter zu machen. Diese Erkenntnisse können auf die zukünftige Entwicklung von Biokraftstoffen und Bioprodukten angewendet werden.
Die Forschung des Teams erfolgte kürzlich veröffentlicht In Naturchemische Biologie.
Kristin Burnum-Johnson, PNNL-Wissenschaftsgruppenleiterin für Funktions- und Systembiologie, spricht im Rahmen eines TEDx-Vortrags über ihre Forschung, die die molekularen Feinheiten untersucht, wie Blattschneiderameisen mit einer Pilzart zusammenarbeiten, um schwer abbaubares Pflanzenmaterial abzubauen in Richland, Washington. Bildnachweis: TEDx Talks
Die symbiotische Beziehung zwischen Blattschneiderameisen und Pilzen enthüllt den Schlüssel zum Erfolg beim Pflanzenabbau
Für seine Forschung untersuchte das Team eine Pilzart, die für ihre symbiotische Beziehung mit einer Blattschneiderameisenart bekannt ist – einen Pilz namens Leucoagaricus gongylophorus. Die Ameisen nutzen den Pilz, um einen Pilzgarten anzulegen, der Pflanzenpolymere und anderes Material abbaut. Restbestandteile dieses Abbauprozesses werden von einer Vielzahl von Organismen im Garten genutzt und verzehrt, sodass alle gedeihen können.
Die Ameisen bewerkstelligen diesen Prozess durch die Kultivierung von Pilzen auf frischen Blättern in speziellen unterirdischen Strukturen. Diese Strukturen werden letztendlich zu Pilzgärten, die das Material verzehren. Residente Bakterienmitglieder helfen beim Abbau, indem sie Aminosäuren und Vitamine produzieren, die das gesamte Gartenökosystem unterstützen.
„Umweltsysteme haben sich über Millionen von Jahren zu perfekten symbiotischen Systemen entwickelt“, sagte Burnum-Johnson. „Wie können wir besser von diesen Systemen lernen, als indem wir beobachten, wie sie diese Aufgaben auf natürliche Weise erfüllen?“
Was die Untersuchung dieser Pilzgemeinschaft jedoch so schwierig macht, ist ihre Komplexität. Während Pflanzen, Pilze, Ameisen und Bakterien alle aktive Komponenten im Prozess des Pflanzenabbaus sind, konzentriert sich keine von ihnen auf eine Aufgabe oder befindet sich an einem Ort. Berücksichtigt man die geringe Größe der biochemischen Reaktionen, die auf molekularer Ebene ablaufen, ergibt sich ein unglaublich schwieriges Rätsel. Aber die neue MIPI-Bildgebungsmethode, die am PNNL entwickelt wurde, ermöglicht es Wissenschaftlern, genau zu sehen, was während des Abbauprozesses vor sich geht.
„Wir verfügen jetzt über die Werkzeuge, um die Feinheiten dieser Systeme vollständig zu verstehen und sie erstmals als Ganzes zu visualisieren“, sagte Burnum-Johnson.
Aufdecken wichtiger Komponenten in einem komplexen System
Mit einem Hochleistungslaser scannte das Team 12 Mikrometer dicke Abschnitte eines Pilzgartens – ungefähr die Breite einer Plastikfolie. Dieser Prozess half bei der Bestimmung der Standorte von Metaboliten in den Proben, bei denen es sich um Restprodukte des Pflanzenabbaus handelt. Diese Technik half auch dabei, den Standort und die Häufigkeit pflanzlicher Polymere wie Cellulose, Xylan und Lignin sowie anderer Moleküle in bestimmten Regionen zu identifizieren. Die kombinierten Standorte dieser Komponenten deuteten auf Hotspots hin, an denen Pflanzenmaterial abgebaut worden war.
Von dort aus konzentrierte sich das Team auf diese Regionen, um Enzyme zu entdecken, die dazu dienen, biochemische Reaktionen in einem lebenden System anzukurbeln. Durch die Kenntnis der Art und des Standorts dieser Enzyme konnten sie bestimmen, welche Mikroben an diesem Prozess beteiligt waren.
Alle diese Komponenten zusammen trugen dazu bei, den Pilz als den primären Abbauer des Pflanzenmaterials im System zu bestätigen. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die im System vorhandenen Bakterien zuvor verdaute Pflanzenpolymere in Metaboliten umwandelten, die im System als Vitamine und Aminosäuren verwendet werden. Diese Vitamine und Aminosäuren kommen dem gesamten Ökosystem zugute, indem sie das Pilzwachstum und den Pflanzenabbau beschleunigen.
Burnum-Johnson sagte, wenn Wissenschaftler andere traditionellere Methoden verwendet hätten, die Massenmessungen von Primärkomponenten in einem System wie Metaboliten, Enzymen und anderen Molekülen durchführen, würden sie einfach einen Durchschnitt dieser Materialien erhalten, was zu mehr Rauschen und einer Maskierung von Informationen führen würde.
„Es verdünnt die wichtigen chemischen Reaktionen, die von Interesse sind, und macht diese Prozesse oft nicht nachweisbar“, sagte sie. „Um die komplexen Umweltökosysteme dieser Pilzgemeinschaften zu analysieren, müssen wir diese feinen Detailinteraktionen kennen. Diese Schlussfolgerungen können dann in eine Laborumgebung übertragen und zur Herstellung von Biokraftstoffen und Bioprodukten verwendet werden, die für unser tägliches Leben wichtig sind.“
Nutzung des Wissens über komplexe Systeme für die zukünftige Pilzforschung
Marija Velickovic, Chemikerin und Hauptautorin des Artikels, sagte, sie habe sich aufgrund der Schwierigkeit des Projekts zunächst für die Erforschung des Pilzgartens und dessen Abbau von Lignin interessiert.
„Pilzgärten sind am interessantesten, weil sie eines der komplexesten Ökosysteme sind, das aus mehreren Mitgliedern besteht, die effektiv zusammenarbeiten“, sagte sie. „Ich wollte Aktivitäten unbedingt auf Mikroebene abbilden, um die Rolle jedes einzelnen Mitglieds in diesem komplexen Ökosystem besser zu verstehen.“
Velickovic führte alle praktischen Experimente im Labor durch, sammelte Material für die Objektträger, scannte die Proben, um Metaboliten in jedem der Abschnitte anzuzeigen und zu identifizieren, und identifizierte Hotspots des Lignozelluloseabbaus.
Sowohl Velickovic als auch Burnum-Johnson zeigten sich begeistert vom Erfolg ihres Teams.
„Wir haben tatsächlich erreicht, was wir uns vorgenommen hatten“, sagte Burnum-Johnson. „Gerade in der Wissenschaft ist das nicht garantiert.“
Das Team plant, seine Erkenntnisse für weitere Forschungen zu nutzen und insbesondere zu untersuchen, wie Pilzgemeinschaften auf Störungen und andere Störungen reagieren und sich schützen.
„Wir verstehen jetzt, wie diese natürlichen Systeme Pflanzenmaterial sehr gut abbauen“, sagte Burnum-Johnson. „Indem wir komplexe Umweltsysteme auf dieser Ebene betrachten, können wir verstehen, wie sie diese Aktivität ausführen, und daraus Kapital schlagen, um Biokraftstoffe und Bioprodukte herzustellen.“
Mehr Informationen:
Marija Veličković et al, Kartierung von Mikrohabitaten der Lignozellulosezersetzung durch ein mikrobielles Konsortium, Naturchemische Biologie (2024). DOI: 10.1038/s41589-023-01536-7