奇妙真菌:从山羊肠道的奥秘看生物燃料和化学生产

O'Malley说:"这是我实验室里最长的一次努力。"早在2015年,她和她的研究团队就开始了一个雄心勃勃的项目,以描述大型食草动物的肠道微生物。其目的是了解这些动物如何通过它们的微生物组管理,从植物材料中提取能量,特别是纤维状的非食物部分,其中的糖分被锁在坚韧的植物细胞壁后面。了解这一过程可以揭示出从丰富的、可再生的植物部分中提取现代生活所需的各种化学品--从生物燃料到药品--所需原料的方法。这反过来又可以减少甚至消除我们对这些材料更有限资源的依赖。

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现在,奥马利又到了一个里程碑。在《自然微生物学》杂志上的一篇论文中,她和她的团队报告了400多个平行厌氧富集实验的结果,其中包括700多个以前未知的微生物基因组和数千种新的酶,以及许多经常被归咎于牛和羊的甲烷的可能机制。

"我们想通过这项研究做的事情之一是问我们自己是否可以学习山羊消化道所提供的生物加工课程,"O'Malley说。像所有反刍动物一样,山羊的肠道微生物组经过数百万年的进化,分泌出强大的酶,分解坚韧的植物部分,使动物能够从各种植物中获得营养。

研究人员特别感兴趣的是山羊肠道微生物组中的非细菌性居民--像厌氧真菌这样的 "小角色",它们只占细菌为主的一小部分。O'Malley说,这些社区成员不仅数量少,而且难以培养。因此,虽然肠道微生物组研究已经进行了很长时间,但大多数研究都忽略了微生物组中罕见成员的贡献。

"没有人真正研究过这些稀有成员的影响,"她说。

在大约400个平行富集实验中,研究人员对Elway贡献的粪便进行了富集实验,Elway是一只名叫San Clemente岛山羊,他住在Santa Barbara动物园,研究人员用不同的生物质基质挑出了生物质降解微生物的种群。他们利用抗生素抑制细菌的生长,进一步雕琢了其中的一些种群,让真菌和甲烷菌(来自领域古菌的单细胞生物)等较罕见的微生物占据主导地位。

"随后我们对所有这些培养物进行了测序,"O'Malley说。"我们把这些零散的DNA序列又重新组合在一起,重建高质量的基因组,这给我们提供了一个关于谁在那里的集体图片。然后,我们扫描这些基因组中的酶和途径,为我们提供了每个微生物在微生物组中起到了什么作用的线索。" O'Malley实验室的研究人员在能源部联合基因组研究所(JGI)对这些样本进行了测序,这是JGI社区科学计划的一部分;他们与JGI元基因组测序和真菌基因组学专家合作进行这项研究。

根据该研究,在这个过程中,该团队发现了700多个新的微生物基因组,"在物种水平上是独一无二的"。此外,还有他们之前从大型食草动物中分离出的罕见真菌。

"但这是我们第一次真正看到它们的行动,在它们的正常社区中,"O'Malley说。

事实证明,真菌虽然数量不多,但在生物质降解中发挥着不成比例的巨大作用。

"它们产生了生物质降解酶的绝大部分,而这些酶是群落赖以运作的,"O'Malley指出。此外,根据该论文,真菌还有其他策略,比如能够物理穿透植物细胞壁,暴露出表面让这些酶发挥作用。

研究人员还发现,伴随着生物质降解速度的增加,以真菌为主的菌群中甲烷的产量也在增加。虽然肠道细菌和肠道真菌都会与甲烷菌形成跨领域的伙伴关系,基本上是将碳传递给考古学家,将其发酵成天然气,但真菌在这方面似乎更有效率。

"我们认为真菌在将碳分流到甲烷方面更有效,"O'Malley说。"换句话说,真菌不会像细菌那样产生一堆副产品。细菌除了产生一些甲烷之外,还会产生额外的短链脂肪酸和其他化学产品。但是,真菌可能有一条更直接的途径将材料传递给甲烷菌。" 论文称,这表明 "真菌在甲烷释放中发挥的作用比以前认识到的要大"。

这些和研究中的其他见解使我们更接近于开发利用微生物从地球上最丰富的有机化合物--纤维素制造工业上重要的化学品的技术。O'Malley和她的小组专注于理解这些复杂的瘤胃群落成员的作用和相互作用,他们正在展望一个设计的微生物群落可以创造增值化学品的未来。

"我们能不能建造一个生物反应器,里面不仅仅是一种类型的微生物,而是几种,或者几十种?我们能不能像自然界那样做真正复杂的化学反应?这就是这里的一种终极目标,"O'Malley说。

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