Como la mayoría de nosotros, los árboles no quieren ser comidos vivos. Para evitar este destino espantoso, desarrollaron paredes celulares extremadamente resistentes hace unos 400 millones de años. Durante millones de años, nada pudo descomponer la lignina , la sustancia más fuerte en esas paredes celulares. Cuando un árbol murió, simplemente se hundió en el pantano donde creció. Cuando el registro fósil comenzó a mostrar árboles que se descomponían hace unos 300 millones de años, la mayoría de los científicos asumieron que se debía a que los pantanos omnipresentes de la época se estaban secando.
Pero el biólogo David Hibbett de la Universidad Clark sospechaba que esa no era la historia completa. Una teoría alternativa de la investigadora Jennifer Robinson lo intrigó. Ella teorizó que, en lugar del cambio del ecosistema solo, algo más jugó un papel importante, algo que evoluciona la capacidad de descomponer la lignina. A través de la investigación de biología evolutiva respaldada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía (DOE), Hibbett y su equipo confirmaron su teoría. Descubrieron que, tal como ella predijo, un grupo de hongos conocidos como ” hongos de pudrición blanca ” desarrollaron la capacidad de degradar la lignina aproximadamente al mismo tiempo que la formación de carbón disminuía drásticamente. Su investigación ilustró cuán esenciales eran los hongos de pudrición blanca para la evolución de la Tierra.
Los hongos son aún indispensables. Los cocineros de orden corto del mundo natural, tienen un trabajo poco conocido que hace que los nutrientes sean accesibles para el resto de nosotros. Al igual que cocinar espinacas hace que sea más fácil de digerir, algunos hongos pueden descomponer las paredes de las células de las plantas, incluida la lignina. Eso facilita que otros organismos usen el carbono que está en esas paredes celulares.
“Todos vivimos en el tracto digestivo de los hongos”, dijo Scott Baker, biólogo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE. Si no estuviéramos rodeados de hongos que descompongan el material vegetal muerto, sería mucho más difícil para las plantas obtener los nutrientes que necesitan.
Para entender el papel de los hongos en el ecosistema y apoyar la investigación de biocombustibles, los científicos apoyados por la Oficina de Ciencia del DOE están estudiando cómo los hongos han evolucionado para descomponer la madera y otras plantas.
Las habilidades especiales de los hongos
Los hongos enfrentan una tarea difícil. Las paredes celulares de los árboles contienen lignina, que sostiene los árboles y los ayuda a resistir la podredumbre. Sin lignina, las secuoyas de California y los kapoks amazónicos no serían capaces de elevarse cientos de pies en el aire. Las paredes de las células de los árboles también incluyen celulosa, un compuesto similar que se digiere más fácilmente pero aún es difícil descomponerlo en azúcares simples .
Al co-evolucionar con árboles, los hongos lograron sortear esas defensas. Los hongos son el único organismo principal que puede descomponer o modificar significativamente la lignina. También son mucho mejores para descomponer la celulosa que la mayoría de los otros organismos.
De hecho, los hongos son incluso mejores que las personas y las máquinas que hemos desarrollado. La industria de la bioenergía aún no puede descomponer de manera eficiente y asequible la lignina, que es necesaria para transformar las plantas no alimentarias, como los álamos, en biocombustibles. La mayoría de los procesos industriales actuales queman la lignina o la tratan con productos químicos caros e ineficientes. Conocer cómo los hongos descomponen la lignina y la celulosa podría hacer que estos procesos sean más asequibles y sostenibles.
Rastreando el Árbol Familiar Fungal
Mientras que los hongos viven en casi todas partes en la Tierra, los avances en el análisis genético y de proteínas ahora nos permiten ver cómo funcionan estos cocineros de orden corto en su cocina. Los científicos pueden tomar muestras de un hongo en la naturaleza y analizar su composición genética en el laboratorio.
Al comparar genes en diferentes tipos de hongos y cómo esos hongos se relacionan evolutivamente entre sí, los científicos pueden rastrear qué genes los hongos han ganado o perdido con el tiempo. También pueden examinar qué genes un hongo individual se ha “encendido” o “apagado” en un momento dado.
Al identificar los genes de un hongo y las proteínas que produce, los científicos pueden comparar qué genes codifican para qué proteínas. Una serie de proyectos que buscan hacer esto aprovechan los recursos del Joint Genome Institute (JGI) y el Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), ambas instalaciones para usuarios de Office of Science.
Comprender la podredumbre
Así como los diferentes chefs usan diferentes técnicas, los hongos tienen una variedad de formas de descomponer la lignina, la celulosa y otras partes de las paredes celulares de la madera.
Rotura blanca
Aunque los hongos aparecieron millones de años antes, el grupo de hongos conocido como podredumbre blanca fue el primer tipo en descomponer la lignina. Ese grupo sigue siendo un jugador importante, dejando madera escamosa y blanqueada en el bosque.
“La podredumbre blanca es increíble”, dijo Hibbett.
Para descomponer la lignina, los hongos de pudrición blanca usan enzimas fuertes, proteínas que aceleran las reacciones químicas. Estas enzimas dividen muchos de los enlaces químicos de la lignina, convirtiéndola en azúcares simples y liberando dióxido de carbono en el aire. La pudrición blanca es aún mejor para desgarrar lignina que cualquier otro tipo de hongo.
Rotura marrón
En comparación con los poderosos efectos de la podredumbre blanca, la comunidad científica pensó durante mucho tiempo que el grupo conocido como hongos de pudrición marrón era débil. Eso es porque los hongos de pudrición marrón no pueden descomponer la lignina por completo.
Recordando sus clases de la universidad en la década de 1980, Barry Goodell, profesor de la Universidad de Massachusetts en Amherst, dijo: “Los maestros de la época los consideraban estos pobres y pequeños seres primitivos”.
Nunca subestimes un hongo Aunque los hongos de la podredumbre parda constituyen solo el 6 por ciento de las especies que descomponen la madera, descomponen el 80 por ciento de los pinos y otras coníferas del mundo. Como descubrieron los científicos que trabajan con JGI en 2009, la pudrición marrón no era primitiva en comparación con la podredumbre blanca. De hecho, la podredumbre marrón en realidad evolucionó a partir de los primeros hongos de pudrición blanca. A medida que evolucionó la especie de podredumbre parda, en realidad perdieron genes que codifican enzimas que destruyen la lignina.
Al igual que los buenos cocineros que se adaptan a una nueva cocina, la evolución llevó a los hongos a la pudrición marrón a encontrar una mejor manera. En lugar de desencadenar la fuerza bruta de las enzimas que consumen mucha energía solo, complementaban esa acción enzimática con el proceso más eficaz de “reacción de Fenton mediada por quelantes” (CMF). Este proceso descompone las paredes de las células de madera produciendo peróxido de hidrógeno y otros productos químicos. Estos productos químicos reaccionan con hierro de forma natural en el medio ambiente para descomponer la madera. En vez de descomponer completamente la lignina, este proceso la modifica lo suficiente para que el hongo llegue a los otros químicos en la pared celular .
Solo hubo un problema con este descubrimiento. En teoría, la reacción química CMF es tan fuerte que debería descomponer tanto el hongo como las enzimas de las que depende. “Terminaría borrándose a sí mismo”, dijo Jonathan Schilling, profesor asociado de la Universidad de Minnesota.
La principal teoría de los científicos era que el hongo creaba una barrera física entre la reacción y las enzimas. Para poner a prueba esa idea, Schilling y su equipo desarrollaron un hongo de la podredumbre marrón en trozos de madera muy delgados. Mientras observaban cómo el hongo se abría camino a través de la madera, vieron que el hongo estaba rompiendo el proceso no en el espacio, sino a tiempo . Primero, expresó genes para producir la reacción corrosiva. Dos días después, expresó genes para crear enzimas. Teniendo en cuenta que los hongos pueden demorar años o incluso décadas en descomponer un tronco, 48 horas es una falla en el tiempo.
Los científicos todavía están tratando de descubrir qué papel juega el proceso CMF. Los investigadores de Schilling y de ideas afines piensan que las enzimas siguen siendo una parte importante del proceso, mientras que la investigación de Goodell sugiere que las reacciones de CMF hacen la mayor parte del trabajo. El equipo de Goodell informó que las reacciones de CMF podrían licuar tanto como el 75 por ciento de una pieza de madera de pino .
De cualquier manera, el proceso CMF ofrece un gran potencial para biorrefinerías. El uso del pretratamiento de los hongos de la podredumbre marrón podría permitir que la industria utilice enzimas menos costosas y que consuman mucha energía.
No todos los hongos están solos. Muchos tipos viven en simbiosis con animales, ya que los hongos y los animales dependen unos de otros para servicios esenciales.
Alianzas con Rumens
Las vacas y otros animales que comen pasto dependen de los hongos intestinales y otros microorganismos para ayudar a descomponer la lignina, la celulosa y otros materiales en las paredes celulares de la madera. Mientras que los hongos solo constituyen el 8 por ciento de los microbios intestinales, degradan el 50 por ciento de la biomasa.
Para descubrir qué enzimas producen los hongos intestinales, Michelle O’Malley y su equipo de la Universidad de California en Santa Bárbara cultivaron varias especies de hongos intestinales en lignocelulosa. Luego los alimentaron con azúcares simples. Cuando los hongos “comieron” los azúcares simples, detuvieron el trabajo duro de romper las paredes de las celdas, como optar por llevar comida en lugar de cocinar en casa.
Dependiendo de la fuente de alimento, los hongos “desactivaron” ciertos genes y cambiaron las enzimas que estaban produciendo. Los científicos descubrieron que estos hongos producen cientos de enzimas más que los hongos utilizados en la industria. También descubrieron que las enzimas trabajaban juntas para ser incluso más efectivas que los procesos industriales actualmente.
“Esa era una gran diversidad de enzimas que nunca habíamos visto”, dijo O’Malley.
La investigación reciente de O’Malley muestra que la industria puede producir biocombustibles incluso de manera más efectiva mediante la conexión de grupos de enzimas como los producidos por los hongos intestinales .
Las termitas como productores de hongos
Algunos hongos trabajan fuera de las entrañas de los animales, como los que se asocian con las termitas. Las termitas tropicales son mucho más efectivas para descomponer la madera que los animales que comen pasto u hojas, los cuales son mucho más fáciles de digerir. Las termitas jóvenes primero mezclan esporas de hongos con la madera en sus propios estómagos, luego la expulsan en una cámara protegida. Después de 45 días de descomposición fúngica, las termitas más viejas comen esta mezcla. Al final, la madera está casi completamente digerida.
“El cultivo de hongos para la alimentación [por las termitas] es una de las formas más notables de la simbiosis en el planeta”, dijo Cameron Currie, profesor de la Universidad de Wisconsin, Madison e investigador de los Grandes Lagos Bioenergía Centro de Investigación del DOE.
Los científicos asumieron que la mayoría de la descomposición se produjo fuera del intestino, descontando el trabajo de las termitas más jóvenes. Pero Hongji Li, un biólogo de la Universidad de Wisconsin, Madison, se preguntó si los insectos más jóvenes merecían más crédito. Descubrió que las entrañas de los trabajadores jóvenes descomponen gran parte de la lignina . Además, los hongos involucrados no usan ninguna de las enzimas típicas que producen hongos de putrefacción blanca o marrón . Debido a que los hongos y la microbiota intestinal asociados con las termitas han evolucionado más recientemente, este descubrimiento puede abrir la puerta a nuevas innovaciones.
Del laboratorio al piso de fabricación
Desde el suelo del bosque hasta los montículos de termitas, la descomposición fúngica podría proporcionar nuevas herramientas para la producción de biocombustibles. Una de las vías es que la industria produzca directamente las enzimas y otros productos químicos de la microbiota y los hongos asociados. Cuando analizaron los sistemas de termitas y hongos, los científicos encontraron cientos de enzimas únicas.
“Estamos tratando de profundizar en los genes para descubrir alguna súper enzima para pasar al nivel de la industria”, dijo Li.
Una ruta más prometedora puede ser que las empresas transfieran los genes que codifican estas enzimas a organismos que ya pueden cultivar, como la levadura o E. coli. Una ruta aún más radical pero potencialmente fructífera es que la industria imite a las comunidades fúngicas naturales.
Durante millones de años, los hongos se han esforzado como cocineros de orden corto para descomponer la madera y otras plantas. Con una nueva comprensión de sus habilidades, los científicos nos ayudan a comprender cuán esenciales son para el pasado y el futuro de la Tierra.
FUENTE