الفطريات قادرة على تحلل الخشب

كشف باحثون من جامعة ماساتشوستس عن الآلية الدقيقة التي تنجح بها فطريات الجذور البنية في تحطيم الكتلة الحيوية الخشبية، دون استخدام الإنزيمات.

منذ حوالي عشرين عامًا، اكتشف عالم الأحياء الدقيقة باري جودل، الذي يعمل الآن أستاذًا بجامعة ماساتشوستس، وزملاؤه نظامًا فريدًا تستخدم فيه عدة أنواع من الكائنات الحية الدقيقة لهضم الخشب وإعادة تدويره. اليوم، هناك بالفعل ثلاثة أنواع من فطريات الجذور البنية القادرة على تحطيم الكتلة الحيوية، لكن تفاصيل آلية هذا التحلل لم تكن معروفة حتى اليوم.

والآن، يقدم الباحثون تفاصيل جديدة حول هذه الآلية غير المتوقعة، والتي من المدهش أنها لا تتضمن نشاط الإنزيمات، وهي المحفزات المعتادة المستخدمة في التفاعلات الكيميائية في الأنظمة البيولوجية. وبدلاً من ذلك، تستخدم هذه الفطريات التحفيز الحيوي غير الأنزيمي، استنادًا إلى المخلبيات (مواد الاصطياد) التي "تختلف تمامًا عن الآليات الموجودة في أي كائن حي دقيق آخر تمت دراسته حتى الآن"، كما يوضح الباحث الرئيسي. المخلبيات عبارة عن مركبات عضوية ترتبط بأيونات المعادن، وفي هذه الحالة، تنتج أيضًا جذور الهيدروكسيل، التي تعزز تحلل الخشب مع الحصول على مواد كيميائية بسيطة يمكن استخدامها كوحدات بناء لتخليق مواد أكثر تعقيدًا. تظهر نتائج البحث، التي تشكل اكتشافًا مثيرًا في مجال التحفيز الحيوي للفطريات التي تمكن من تحويل الكتلة الحيوية، في العدد الأخير من المجلة العلمية التكنولوجيا الحيوية للوقود الحيوي. يوضح الباحث الرئيسي: "كشف بحثنا عن أنظمة التحويل الحيوي للفطر عن آلية مبتكرة يمكن استخدامها في المستقبل في المصافي البيولوجية المصممة لتحطيم الكتلة الحيوية للأشجار للحصول على مواد كيميائية أبسط يمكن استخدامها لإنتاج البوليمرات الحيوية ومنتجات الطاقة."

توجد فطريات الجذور البنية في كل من نصفي الكرة الشمالي والجنوبي وهي من أكثر فطريات العفن شيوعًا في أمريكا الشمالية. نظرًا لأن هذا النوع تطور مؤخرًا نسبيًا، فهناك أنواع أقل من فطر الجذر البني مقارنة بفطر الجذر الأبيض. "في الوقت نفسه، وفي ضوء قدرتها على تحلل الأخشاب بكفاءة، أصبحت فطريات الجذور البنية هي الأنواع السائدة، خاصة في تحلل الأخشاب اللينة"، كما يوضح الباحث الرئيسي، حيث أن هذا النوع مسؤول حاليًا عن ما يقرب من ثمانين بالمائة من إعادة تدوير الكربون من مصدر الكتلة الحيوية للأخشاب اللينة في العالم، والتي تتواجد بشكل رئيسي في الغابات العظيمة في نصف الكرة الشمالي.

ويشير الباحثون إلى أن معظم الكائنات الحية الدقيقة تستخدم الإنزيمات لتكسير المركبات، لكن الإنزيمات عبارة عن جزيئات ضخمة تتطلب استخدام الكثير من الطاقة لإنتاجها، بسبب محتواها العالي من النيتروجين. "حتى اليوم، كان العلماء يعتقدون أن هذه الفطريات تخلق ثقوبًا في جدار الخلية وبالتالي تسمح للإنزيمات الكبيرة بدخول الخلية. ومع ذلك، وكما اكتشفنا، فإن الآلية مختلفة تمامًا". يقول الباحث الرئيسي: "إن الفطريات التي درسناها تستخدم نظامًا حفازًا غير إنزيمي يعتمد على المخلبات كجزء من عملية بسيطة تستخدم بيروكسيد الهيدروجين المتولد داخل الفطريات إلى جانب الحديد الموجود في البيئة". ويوضح: "تمكنت هذه العائلة من فطريات الجذور البنية من تطوير آلية تنتج من خلالها جذور الهيدروكسيل بعيدًا عن الخلايا نفسها، وهي الجذور التي تحطم الشجرة. تتمتع جذور الهيدروكسيل بإمكانية كبيرة لإلحاق الضرر بالخلايا، وتعتبر أقوى المواد المؤكسدة المعروفة في الأنظمة البيولوجية.

ويضيف الباحثون ويشيرون إلى أن هذه الفطريات تنتج عددًا محدودًا من الإنزيمات، لكنها لا تؤدي نشاطها إلا بعد انتهاء الآلية اللاإنزيمية. تعتبر المخالب نواتج أيض ثانوية، ودراسة وظيفتها باستخدام الطرق الجينومية القياسية تمثل تحديًا خاصًا. يوضح الباحث: «بمساعدة العديد من الأساليب المتقدمة، تمكنا من تحديد مركبات صغيرة للغاية تدخل الخلايا عبر الجدار. لقد تطورت هذه العائلة من الفطريات بطريقة تسمح لها بتكسير الركيزة الأساسية للأشجار، أولاً عن طريق إدخال المخلبات في جدران الخلايا ثم إنتاج بيروكسيد الهيدروجين من الأكسجين، وتحطيم جدران الخلايا معًا للحصول على السكر الذي يتكون. اللبنة الأساسية للشجرة هي الجلوكوز، والذي يمكن أن تستخدمه الفطريات كوقود. بهذه الطريقة، تهضم هذه الفطريات الخشب، وفي النهاية تتحلل تمامًا أيضًا"، يوضح الباحث الرئيسي.

• مقال يصف نتائج البحث
• أخبار الدراسة