Cientistas do PNNL desenvolvem novo método para visualizar o minúsculo funcionamento interno da complexa comunidade fúngica.
Por DOE/Pacific Northwest National Laboratory com informações de Science Daily
Os cientistas passaram décadas a encontrar formas de degradar materiais vegetais de forma eficiente e acessível, para que possam ser convertidos em bioprodutos úteis que beneficiam a vida quotidiana.
Combustíveis de base biológica, detergentes, suplementos nutricionais e até plásticos são o resultado deste trabalho. E embora os cientistas tenham encontrado formas de degradar as plantas na medida necessária para produzir uma gama de produtos, certos polímeros como a lenhina (lignina), que é um ingrediente primário na parede celular das plantas, continuam a ser incrivelmente difíceis de decompor de forma acessível sem adicionar poluentes de volta no ambiente. Esses polímeros podem ser deixados como resíduos sem uso posterior.
Sabe-se que uma comunidade microbiana especializada composta por fungos, formigas cortadeiras e bactérias degrada naturalmente as plantas, transformando-as em nutrientes e outros componentes que são absorvidos e utilizados pelos organismos e sistemas circundantes. Mas identificar todos os componentes e reações bioquímicas necessárias para o processo permaneceu um desafio significativo – até agora.
Como parte de seu prêmio de início de carreira do Departamento de Energia (DOE), Kristin Burnum-Johnson, líder do grupo científico de Biologia Funcional e de Sistemas no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), e uma equipe de colegas pesquisadores do PNNL, desenvolveram um método de imagem chamado metaboloma imagem de proteoma informada (MIPI). Este método permite que os cientistas perscrutem profundamente o nível molecular e vejam exatamente quais componentes básicos fazem parte do processo de degradação da planta, bem como quais, quando e onde ocorrem reações bioquímicas importantes que tornam isso possível.
Usando este método, a equipe revelou metabólitos e enzimas importantes que estimulam diferentes reações bioquímicas vitais no processo de degradação. Eles também revelaram o propósito das bactérias residentes no sistema – que é tornar o processo ainda mais eficiente. Esses insights podem ser aplicados ao futuro desenvolvimento de biocombustíveis e bioprodutos.
A pesquisa da equipe foi publicada recentemente na Nature Chemical Biology.
A relação simbiótica entre formigas cortadeiras e fungos revela a chave para o sucesso na degradação de plantas
Para a pesquisa, a equipe estudou um tipo de fungo conhecido por sua relação simbiótica com uma espécie de formiga cortadeira – um fungo conhecido como Leucoagaricus gongylophorus. As formigas usam o fungo para cultivar um jardim de fungos que degrada polímeros vegetais e outros materiais. Os componentes remanescentes deste processo de degradação são utilizados e consumidos por uma variedade de organismos no jardim, permitindo que todos prosperem.
As formigas realizam esse processo cultivando fungos em folhas frescas em estruturas subterrâneas especializadas. Essas estruturas acabam se tornando jardins de fungos que consomem o material. Os membros bacterianos residentes ajudam na degradação, produzindo aminoácidos e vitaminas que sustentam o ecossistema geral do jardim.
“Os sistemas ambientais evoluíram ao longo de milhões de anos para serem sistemas simbióticos perfeitos”, disse Burnum-Johnson. “Como podemos aprender melhor com esses sistemas do que observando como eles realizam essas tarefas naturalmente?”
Mas o que torna esta comunidade fúngica tão difícil de estudar é a sua complexidade. Embora as plantas, fungos, formigas e bactérias sejam todos componentes ativos no processo de degradação das plantas, nenhum deles se concentra em uma tarefa ou reside em um local. Considere o tamanho em pequena escala das reações bioquímicas que ocorrem no nível molecular e um quebra-cabeça incrivelmente difícil se apresenta. Mas o novo método de imagem MIPI desenvolvido no PNNL permite aos cientistas ver exatamente o que está acontecendo durante todo o processo de degradação.
“Agora temos as ferramentas para compreender completamente as complexidades destes sistemas e visualizá-los como um todo pela primeira vez”, disse Burnum-Johnson.
Revelando componentes importantes em um sistema complexo
Usando um laser de alta potência, a equipe fez varreduras em seções de 12 mícrons de espessura de um jardim de fungos – a largura aproximada de uma película plástica. Este processo ajudou a determinar a localização dos metabólitos nas amostras, que são produtos remanescentes da degradação das plantas. Essa técnica também ajudou a identificar a localização e abundância de polímeros vegetais como celulose, xilana e lignina, além de outras moléculas em regiões específicas. As localizações combinadas destes componentes indicaram pontos quentes onde o material vegetal foi decomposto.
A partir daí, a equipe se concentrou nessas regiões para ver enzimas, que são usadas para iniciar reações bioquímicas em um sistema vivo. Conhecer o tipo e a localização dessas enzimas permitiu determinar quais micróbios faziam parte desse processo.
Todos esses componentes juntos ajudaram a afirmar o fungo como o principal degradador do material vegetal do sistema. Além disso, a equipe determinou que as bactérias presentes no sistema transformavam polímeros vegetais previamente digeridos em metabólitos que são utilizados como vitaminas e aminoácidos no sistema. Estas vitaminas e aminoácidos beneficiam todo o ecossistema, acelerando o crescimento de fungos e a degradação das plantas.
Burnum-Johnson disse que se os cientistas tivessem usado outros métodos mais tradicionais que fazem medições em massa de componentes primários de um sistema, como metabólitos, enzimas e outras moléculas, eles simplesmente obteriam uma média desses materiais, criando mais ruído e mascarando informações.
“Isso dilui as reações químicas importantes de interesse, muitas vezes tornando esses processos indetectáveis”, disse ela. “Para analisar os complexos ecossistemas ambientais dessas comunidades de fungos, precisamos conhecer esses detalhes das interações. Essas conclusões podem então ser levadas de volta a um ambiente de laboratório e usadas para criar biocombustíveis e bioprodutos que são importantes em nossa vida cotidiana.”
Usando o conhecimento de sistemas complexos para pesquisas futuras sobre fungos
Marija Velickovic, química e autora principal do artigo, disse que inicialmente se interessou em estudar o jardim de fungos e como ele degrada a lignina com base na dificuldade do projeto.
“Os jardins de fungos são os mais interessantes porque são um dos ecossistemas mais complexos, compostos por múltiplos membros que trabalham efetivamente juntos”, disse ela. “Eu realmente queria mapear as atividades em nível microescala para entender melhor o papel de cada membro neste ecossistema complexo.”
Velickovic realizou todos os experimentos práticos no laboratório, coletando material para as lâminas, escaneando as amostras para visualizar e identificar metabólitos em cada uma das seções e identificando pontos críticos de degradação da lignocelulose.
Tanto Velickovic quanto Burnum-Johnson disseram estar extasiados com o sucesso de sua equipe.
“Na verdade, alcançamos o que pretendíamos”, disse Burnum-Johnson. “Especialmente na ciência, isso não é garantido.”
A equipe planeja usar as suas descobertas para pesquisas futuras, com planos específicos para estudar como as comunidades de fungos respondem e se protegem em meio a perturbaçõe.
“Agora entendemos como esses sistemas naturais degradam muito bem o material vegetal”, disse Burnum-Johnson. “Ao observarmos sistemas ambientais complexos a este nível, podemos compreender como estão a realizar essa actividade e capitalizá-la para produzir biocombustíveis e bioprodutos”.
O trabalho foi financiado pelo Office of Science do DOE. Além disso, os pesquisadores acessaram imagens de espectrometria de massa e recursos de computação e proteômica no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação de usuário do Office of Science localizada no PNNL.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo DOE/Pacific Northwest National Laboratory. Original escrito por Maegan Murray. Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
Marija Veličković, Ruonan Wu, Yuqian Gao, Margaret W. Thairu, Dušan Veličković, Nathalie Munoz, Chaevien S. Clendinen, Aivett Bilbao, Rosalie K. Chu, Priscila M. Lalli, Kevin Zemaitis, Carrie D. Nicora, Jennifer E. Kyle, Daniel Orton, Sarai Williams, Ying Zhu, Rui Zhao, Matthew E. Monroe, Ronald J. Moore, Bobbie-Jo M. Webb-Robertson, Lisa M. Bramer, Cameron R. Currie, Paul D. Piehowski, Kristin E. Burnum-Johnson. Mapping microhabitats of lignocellulose decomposition by a microbial consortium. Nature Chemical Biology, 2024; DOI: 10.1038/s41589-023-01536-7
