Yaprak Kesen Karıncalar, Mantarlarla Beraber Bitkileri Parçalayıp Biyoürünlere Dönüştürüyor

Bilim insanları, bitki materyallerini verimli ve uygun maliyetli bir şekilde parçalamanın ve böylece bunların günlük hayata fayda sağlayan yararlı biyoürünlere dönüştürülebilmesinin yollarını bulmak için onlarca yıl harcadılar.

Biyo bazlı yakıtlar, deterjanlar, besin takviyeleri ve hatta plastikler bu çalışmanın sonucudur. Bilim insanları bitkileri bir dizi ürün üretmek için gereken ölçüde parçalamanın yollarını bulmuş olsa da, bitkilerin hücre duvarındaki birincil bileşen olan lignin gibi bazı polimerlerin, çevreye kirletici maddeler eklenmeden uygun maliyetle parçalanması inanılmaz derecede zordur. Bu polimerler daha fazla kullanılmadan atık ürünler olarak geride bırakılabilir.

Mantarlar, yaprak yiyen karıncalar ve bakterilerden oluşan özel bir mikrobiyal topluluğun, bitkileri doğal olarak bozduğu, onları çevredeki organizmalar ve sistemler tarafından emilen ve kullanılan besinlere ve diğer bileşenlere dönüştürdüğü bilinmektedir. Ancak süreç için gereken tüm bileşenlerin ve biyokimyasal reaksiyonların tanımlanması şimdiye kadar önemli bir zorluk olarak kaldı.

Enerji Bakanlığı Erken Kariyer ödülünün bir parçası olarak, Pasifik Kuzeybatı Fonksiyonel ve Sistem Biyolojisi bilim grubu lideri Kristin Burnum-Johnson Ulusal Laboratuvar (PNNL) ve PNNL araştırmacılarından oluşan bir ekip, metabolom bilgili proteom görüntüleme (MIPI) adı verilen bir görüntüleme yöntemi geliştirdi. Bu yöntem, bilim insanlarının moleküler seviyeye derinlemesine bakmasına ve bitki bozunma sürecinin hangi temel bileşenlerinin parçası olduğunu ve bunu mümkün kılan önemli biyokimyasal reaksiyonların ne, ne zaman ve nerede meydana geldiğini tam olarak görmesine olanak tanır.

Ekip, bu yöntemi kullanarak, bozunma sürecinde hayati önem taşıyan farklı biyokimyasal reaksiyonları tetikleyen önemli metabolitleri ve enzimleri ortaya çıkardı. Ayrıca sistemdeki yerleşik bakterilerin amacının da süreci daha verimli hale getirmek olduğunu ortaya çıkardılar. Bu bilgiler gelecekteki biyoyakıtlara ve biyoürünlerin geliştirilmesine uygulanabilir.

Ekibin araştırması yakın zamanda Nature Chemical Biology’de yayınlandı.

Yaprak kesici karıncalar ve mantar arasındaki simbiyotik ilişki, bitki bozulmasında başarının anahtarını ortaya koyuyor

Ekip, araştırması için yaprak kesici karınca türleri ile simbiyotik ilişkisi ile bilinen bir mantar türünü (Leucoagaricus gongylophorus olarak bilinen bir mantar) inceledi. Karıncalar, bitki polimerlerini ve diğer malzemeleri bozan bir mantar bahçesi yetiştirmek için mantarı kullanıyor. Bu bozunma sürecinden kalan bileşenler bahçedeki çeşitli organizmalar tarafından kullanılıp tüketilir ve bu da hepsinin gelişmesine olanak sağlar.

Karıncalar bu işlemi özel yer altı yapılarında taze yapraklar üzerinde mantar yetiştirerek gerçekleştirirler. Bu yapılar sonuçta malzemeyi tüketen mantar bahçelerine dönüşür. Yerleşik bakteri üyeleri, genel bahçe ekosistemini destekleyen amino asitler ve vitaminler üreterek bozulmaya yardımcı olur.

Burnum-Johnson, “Çevresel sistemler milyonlarca yıl boyunca mükemmel simbiyotik sistemler olacak şekilde gelişti.” dedi. “Bu sistemlerden, bu görevleri doğal olarak nasıl yerine getirdiklerini gözlemlemekten daha iyi nasıl öğrenebiliriz?”

Ancak bu mantar topluluğunun incelenmesini bu kadar zorlaştıran şey karmaşıklığıdır. Bitkiler, mantarlar, karıncalar ve bakteriler, bitkilerin parçalanma sürecindeki aktif bileşenler olsa da hiçbiri tek bir göreve odaklanmaz veya tek bir yerde ikamet etmez. Moleküler düzeyde meydana gelen biyokimyasal reaksiyonların küçük ölçekli boyutu da etkendir ve inanılmaz derecede zor bir bulmaca kendini gösterir. Ancak PNNL’de geliştirilen yeni MIPI görüntüleme yöntemi, bilim insanlarının bozunma süreci boyunca tam olarak neler olup bittiğini görmesine olanak tanıyor.

Burnum-Johnson, “Artık bu sistemlerin inceliklerini tam olarak anlayacak ve bunları bir bütün olarak görselleştirecek araçlara sahibiz.” dedi.

Karmaşık bir sistemdeki önemli bileşenleri ortaya çıkarmak

Ekip, yüksek güçlü bir lazer kullanarak, bir mantar bahçesinin 12 mikron kalınlığındaki bölümlerini (yaklaşık plastik streç filmin genişliği) taradı. Bu süreç, bitki bozulmasının kalan ürünleri olan örneklerdeki metabolitlerin yerlerinin belirlenmesine yardımcı oldu. Bu teknik aynı zamanda selüloz, ksilan ve lignin gibi bitki polimerlerinin yanı sıra belirli bölgelerdeki diğer moleküllerin konumunun ve bolluğunun belirlenmesine de yardımcı oldu. Bu bileşenlerin birleşik konumları, bitki materyalinin parçalandığı sıcak noktaları gösteriyordu.

Ekip, oradan, canlı bir sistemde biyokimyasal reaksiyonları başlatmak için kullanılan enzimleri görmek üzere bu bölgelere odaklandı. Bu enzimlerin türünü ve yerini bilmek, hangi mikropların bu sürecin bir parçası olduğunu belirlemelerine olanak sağladı.

Bu bileşenlerin tümü birlikte mantarın sistemdeki bitki materyalinin birincil parçalayıcısı olduğunun doğrulanmasına yardımcı oldu. Ek olarak ekip, sistemde bulunan bakterilerin daha önce sindirilmiş bitki polimerlerini, sistemde vitamin ve amino asit olarak kullanılan metabolitlere dönüştürdüğünü belirledi. Bu vitaminler ve amino asitler mantar büyümesini ve bitki bozulmasını hızlandırarak tüm ekosisteme fayda sağlar.

Burnum-Johnson, bilim insanlarının bir sistemdeki metabolitler, enzimler ve diğer moleküller gibi birincil bileşenlerin toplu ölçümlerini alan daha geleneksel yöntemleri kullanmış olmaları halinde, bu malzemelerin ortalamasını elde edebileceklerini, bunun da daha fazla gürültü yaratacağını ve bilgileri maskeleyebileceklerini söyledi.

“İlgi konusu önemli kimyasal reaksiyonları sulandırıyor ve çoğu zaman bu süreçleri tespit edilemez hale getiriyor” dedi. “Bu mantar topluluklarının karmaşık çevresel ekosistemlerini analiz etmek için, bu ince detay etkileşimlerini bilmemiz gerekiyor. Bu sonuçlar daha sonra laboratuvar ortamına geri alınabilir ve günlük yaşamımızda önemli olan biyoyakıtlar ve biyoürünler oluşturmak için kullanılabilir.”

Gelecekteki mantar araştırmaları için karmaşık sistemlere ilişkin bilgilerin kullanılması

Kimyager ve makalenin başyazarı Marija Velickovic, başlangıçta mantar bahçesini ve projenin zorluğuna bağlı olarak lignini nasıl bozduğunu incelemekle ilgilendiğini söyledi.

“Mantar bahçeleri en ilginç olanıdır çünkü birlikte etkili bir şekilde çalışan birden fazla üyeden oluşan en karmaşık ekosistemlerden biridir” dedi. “Bu karmaşık ekosistemdeki her bir üyenin rolünü daha iyi anlamak için etkinlikleri mikro ölçekte haritalandırmayı gerçekten istedim.”

Velickovic, slaytlar için malzeme toplayarak, bölümlerin her birindeki metabolitleri görüntülemek ve tanımlamak için örnekleri tarayarak ve lignoselüloz bozunmasının sıcak noktalarını belirleyerek laboratuvardaki tüm uygulamalı deneyleri gerçekleştirdi.

Hem Velickovic hem de Burnum-Johnson, takımlarının başarısından çok mutlu olduklarını söyledi.

Burnum-Johnson, “Aslında yola çıktığımız şeyi başardık” dedi. “Özellikle bilimde bu garanti değildir.”

Ekip, mantar topluluklarının rahatsızlıklar ve diğer rahatsızlıklar karşısında nasıl tepki verdiklerini ve kendilerini nasıl koruduklarını incelemek için özel planlarla birlikte bulgularını daha ileri araştırmalar için kullanmayı planlıyor.

Burnum-Johnson, “Artık bu doğal sistemlerin bitki materyalini nasıl çok iyi bozduğuna dair bir anlayışa sahibiz.” dedi. “Bu seviyedeki karmaşık çevresel sistemlere bakarak, bu aktiviteyi nasıl gerçekleştirdiklerini anlayabilir ve biyoyakıt ve biyoürün üretmek için bundan faydalanabiliriz.”

Çalışma Enerji Bakanlığının Bilim Ofisi tarafından finanse edildi. Ayrıca araştırmacılar, PNNL’de bulunan bir Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Çevresel Moleküler Bilimler Laboratuvarı’nda kütle spektrometresi görüntüleme, hesaplama ve proteomik kaynaklarına erişti.

Kaynak : sciencedaily.com