Это тяжелая работа, но кто-то должен ее делать. В данном случае "работа" заключается в расщеплении лигнина, структурного биополимера, который придает стеблям, коре и ветвям их характерную деревянистость. Один из самых распространенных на Земле полимеров, лигнин окружает ценные растительные волокна и другие молекулы, которые могут быть преобразованы в биотопливо и другие товарные химикаты - если только мы сможем преодолеть жесткую клеточную стенку растений.

К счастью, этот довольно трудоемкий процесс уже происходит в кишечнике крупных травоядных животных под действием анаэробных микробов, на которые полагаются коровы, козы и овцы, чтобы высвободить питательные вещества, застрявшие за биополимером. В работе, опубликованной в журнале Nature Microbiology, исследователи из лаборатории профессора химической инженерии и биологической инженерии Университета Санта-Барбары Мишель О'Мэлли доказывают, что группа анаэробных грибов - неокаллимастигомицетов - способна справиться с этой задачей.

Они провели эту работу в сотрудничестве с коллегами из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE), Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, Объединенного института биоэнергетики и Исследовательского центра биоэнергетики Великих озер.

"Лигнин можно рассматривать как своего рода скелетную систему растений", - говорит О'Мэлли, чьи исследования направлены на поиск и получение альтернативных источников энергии и химических веществ из того, что в противном случае считалось бы растительными отходами. Кроме того, по ее словам, лигнин обладает свойствами, которые делают растение устойчивым к физическому разрушению ферментами и патогенами. "Лигнин очень важен - он обеспечивает прочность и структуру, но его так же трудно разрушить по той же причине".

В течение десятилетий считалось, что лигнин может быть разрушен только в присутствии кислорода. "Это занимает время и зависит от определенных химических видов, таких как свободные радикалы, которые, насколько всем известно, могут образовываться только с помощью кислорода", - объяснил О'Мэлли.

Однако все это время были намеки на то, что у природы есть не один способ удаления лигнина. В мире промышленной биомассы, чтобы получить доступ к целлюлозе и гемицеллюлозе, скрытой за лигнином, растительная биомасса обычно подвергается предварительной обработке. Но в работе лаборатории О'Мэлли с анаэробными микробами предварительная обработка никогда не требовалась.

"Нам никогда не приходилось извлекать оттуда лигнин, потому что грибки, с которыми мы работаем, с таким же удовольствием сами извлекают целлюлозу и гемицеллюлозу", - говорит она. "Поэтому тот факт, что эти грибы могут расти на необработанной растительной биомассе, всегда был уникальной и необычной особенностью, и мы предположили, что у них должен быть способ перемещения лигнина".

Чтобы выяснить это наверняка, в лаборатории О'Мэлли провели эксперименты с представителями группы Neocallimastigomycetes. Том Ланкевич, ведущий автор исследования, культивировал некоторые из этих грибков на тополе, сорго и switchgrass в бескислородной среде. Эти три вида биомассы были выбраны с учетом различных способов проявления лигнина в природе - от гибких стеблей и листьев трав до более жесткой древесины тополя. Кроме того, эти растения рассматриваются Министерством энергетики как потенциальное сырье для производства биотоплива и продуктов на биооснове.

Затем команда проследила за тем, как грибки работают над жесткими волокнами, и обнаружила, что Neocallimastix californiae действительно разрушает жесткие клеточные стенки растений. Используя передовые методы визуализации, такие как ядерный магнитный резонанс, они смогли определить конкретные разрывы связей лигнина в отсутствие кислорода.

"Это действительно смена парадигмы в том, что касается того, как люди думают о судьбе лигнина в отсутствие кислорода", - сказал О'Мэлли. "Это можно распространить на понимание того, что происходит с лигнином в компостной куче, в анаэробном реакторе или в очень глубоких средах, где нет кислорода. Это расширяет наше понимание того, что происходит с биомассой в этих средах, и меняет наше представление о том, что возможно, и о химическом составе того, что там происходит".

Хотя это исследование доказывает, что лигнин может расщепляться грибами в бескислородной среде, следующая задача исследователей - выяснить, как именно. Существуют ли ферменты, опосредующие этот процесс? Является ли это особенностью анаэробов в целом? Как и в любом интригующем исследовании, каждый ответ приводит к появлению новых вопросов - вопросов, которые приглашают к дальнейшим исследованиям и плодотворному сотрудничеству.

"Это, конечно, не просто работа одной лаборатории", - сказал О'Мэлли. "Это стало возможным только потому, что у нас было так много коллабораторов, которые привнесли в работу различные знания и опыт".