Les scientifiques ont passé des décennies à trouver des moyens de dégrader les matières végétales de manière efficace et abordable afin qu’elles puissent être converties en bioproduits utiles qui profitent à la vie quotidienne.
Les biocarburants, les détergents, les compléments nutritionnels ou encore les plastiques sont le résultat de ce travail. Et tandis que les scientifiques ont trouvé des moyens de dégrader les plantes dans la mesure nécessaire pour produire une gamme de produits, certains polymères tels que la lignine, qui est un ingrédient principal de la paroi cellulaire des plantes, restent incroyablement difficiles à décomposer à moindre coût sans réintroduire des polluants dans l’environnement. l’environnement. Ces polymères peuvent être laissés comme déchets sans autre utilisation.
Une communauté microbienne spécialisée composée de champignons, de fourmis coupeuses de feuilles et de bactéries est connue pour dégrader naturellement les plantes, les transformant en nutriments et autres composants absorbés et utilisés par les organismes et systèmes environnants. Mais l’identification de tous les composants et réactions biochimiques nécessaires au processus est restée un défi de taille jusqu’à présent.
Kristin Burnum-Johnson, chef du groupe scientifique pour la biologie fonctionnelle et systémique au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), et une équipe de collègues chercheurs du PNNL ont développé une méthode d’imagerie appelée imagerie du protéome informée par le métabolome (MIPI). Cette méthode permet aux scientifiques d’examiner en profondeur le niveau moléculaire et de voir exactement quels composants de base font partie du processus de dégradation des plantes, ainsi que quoi, quand et où se produisent les réactions biochimiques importantes qui rendent cela possible.
En utilisant cette méthode, l’équipe a révélé d’importants métabolites et enzymes qui déclenchent différentes réactions biochimiques essentielles au processus de dégradation. Ils ont également révélé le but des bactéries résidentes dans le système : rendre le processus encore plus efficace. Ces connaissances peuvent être appliquées au développement futur des biocarburants et des bioproduits.
Les recherches de l’équipe ont été récemment publié dans Biologie chimique naturelle.
Kristin Burnum-Johnson, responsable du groupe scientifique du PNNL pour la biologie fonctionnelle et systémique, parle de ses recherches étudiant les subtilités moléculaires de la façon dont les fourmis coupeuses de feuilles travaillent avec un type de champignon pour dégrader le matériel végétal difficile à décomposer dans le cadre d’une conférence TEDx. à Richland, Washington. Crédit : TEDx Talks
La relation symbiotique entre les fourmis coupeuses de feuilles et les champignons révèle la clé du succès dans la dégradation des plantes
Pour ses recherches, l’équipe a étudié un type de champignon connu pour sa relation symbiotique avec une espèce de fourmis coupeuses de feuilles, un champignon connu sous le nom de Leucoagaricus gongylophorus. Les fourmis utilisent le champignon pour cultiver un jardin fongique qui dégrade les polymères végétaux et autres matériaux. Les composants restants de ce processus de dégradation sont utilisés et consommés par divers organismes du jardin, permettant à tous de prospérer.
Les fourmis accomplissent ce processus en cultivant des champignons sur des feuilles fraîches dans des structures souterraines spécialisées. Ces structures deviennent finalement des jardins fongiques qui consomment la matière. Les membres bactériens résidents contribuent à la dégradation en produisant des acides aminés et des vitamines qui soutiennent l’écosystème global du jardin.
« Les systèmes environnementaux ont évolué au fil des millions d’années pour devenir des systèmes symbiotiques parfaits », a déclaré Burnum-Johnson. « Comment pouvons-nous mieux apprendre de ces systèmes qu’en observant comment ils accomplissent ces tâches naturellement ? »
Mais ce qui rend cette communauté fongique si difficile à étudier, c’est sa complexité. Bien que les plantes, les champignons, les fourmis et les bactéries soient tous des composants actifs du processus de dégradation des plantes, aucun d’entre eux ne se concentre sur une seule tâche ou ne réside dans un seul endroit. Si l’on tient compte de la petite taille des réactions biochimiques se produisant au niveau moléculaire, un casse-tête incroyablement difficile se présente. Mais la nouvelle méthode d’imagerie MIPI développée au PNNL permet aux scientifiques de voir exactement ce qui se passe tout au long du processus de dégradation.
« Nous disposons désormais des outils nécessaires pour comprendre pleinement les subtilités de ces systèmes et les visualiser dans leur ensemble pour la première fois », a déclaré Burnum-Johnson.
Révéler les composants importants d’un système complexe
À l’aide d’un laser haute puissance, l’équipe a scanné des sections de 12 microns d’épaisseur d’un jardin fongique, soit la largeur approximative d’un film plastique. Ce processus a permis de déterminer l’emplacement des métabolites dans les échantillons, qui sont des produits résiduels de la dégradation des plantes. Cette technique a également permis d’identifier l’emplacement et l’abondance de polymères végétaux tels que la cellulose, le xylane et la lignine, ainsi que d’autres molécules dans des régions spécifiques. Les emplacements combinés de ces composants indiquaient des points chauds où le matériel végétal avait été dégradé.
À partir de là, l’équipe s’est concentrée sur ces régions pour observer les enzymes utilisées pour déclencher des réactions biochimiques dans un système vivant. Connaître le type et l’emplacement de ces enzymes leur a permis de déterminer quels microbes faisaient partie de ce processus.
Tous ces composants réunis ont contribué à affirmer le champignon comme le principal dégradant du matériel végétal dans le système. De plus, l’équipe a déterminé que les bactéries présentes dans le système transformaient les polymères végétaux précédemment digérés en métabolites utilisés comme vitamines et acides aminés dans le système. Ces vitamines et acides aminés profitent à l’ensemble de l’écosystème en accélérant la croissance fongique et la dégradation des plantes.
Burnum-Johnson a déclaré que si les scientifiques avaient utilisé d’autres méthodes plus traditionnelles qui prennent des mesures globales des composants primaires d’un système, tels que les métabolites, les enzymes et d’autres molécules, ils obtiendraient simplement une moyenne de ces matériaux, créant ainsi plus de bruit et masquant les informations.
« Cela dilue les réactions chimiques importantes, rendant souvent ces processus indétectables », a-t-elle déclaré. « Pour analyser les écosystèmes environnementaux complexes de ces communautés fongiques, nous devons connaître ces interactions détaillées. Ces conclusions peuvent ensuite être reprises en laboratoire et utilisées pour créer des biocarburants et des bioproduits importants dans notre vie quotidienne. »
Utiliser la connaissance des systèmes complexes pour la future recherche fongique
Marija Velickovic, chimiste et auteur principal de l’article, a déclaré qu’elle s’était initialement intéressée à l’étude du jardin fongique et à la manière dont il dégrade la lignine en raison de la difficulté du projet.
« Les jardins fongiques sont les plus intéressants car ils constituent l’un des écosystèmes les plus complexes, composé de plusieurs membres qui travaillent efficacement ensemble », a-t-elle déclaré. « Je voulais vraiment cartographier les activités à l’échelle microscopique pour mieux comprendre le rôle de chaque membre dans cet écosystème complexe. »
Velickovic a réalisé toutes les expériences pratiques en laboratoire, collectant du matériel pour les lames, numérisant les échantillons pour visualiser et identifier les métabolites dans chacune des sections et identifiant les points chauds de dégradation de la lignocellulose.
Velickovic et Burnum-Johnson se sont déclarés ravis du succès de leur équipe.
« Nous avons effectivement accompli ce que nous avions prévu », a déclaré Burnum-Johnson. « Surtout en science, ce n’est pas garanti. »
L’équipe prévoit d’utiliser ses résultats pour des recherches plus approfondies, avec des plans spécifiques pour étudier comment les communautés fongiques réagissent et se protègent face aux perturbations et autres perturbations.
« Nous comprenons désormais comment ces systèmes naturels dégradent très bien le matériel végétal », a déclaré Burnum-Johnson. « En examinant les systèmes environnementaux complexes à ce niveau, nous pouvons comprendre comment ils exercent cette activité et en tirer parti pour fabriquer des biocarburants et des bioproduits. »
Plus d’information:
Marija Veličković et al, Cartographie des microhabitats de la décomposition de la lignocellulose par un consortium microbien, Nature Chimique Biologie (2024). DOI : 10.1038/s41589-023-01536-7