研究人员证明坚韧的木质木质素可以在厌氧环境中分解

这是一项艰巨的工作，但必须有人去做。在这种情况下，“工作”是木质素的分解，木质素是一种结构生物聚合物，赋予茎、树皮和树枝标志性的木质性。木质素是地球上最丰富的陆地聚合物之一，它围绕着有价值的植物纤维和其他分子，这些分子可以转化为生物燃料和其他商品化学品——如果我们只能越过那坚硬的植物细胞壁。

幸运的是，通过厌氧微生物的作用，牛、山羊和绵羊依靠厌氧微生物释放被困在生物聚合物后面的营养物质，这个相当费力的过程已经发生在大型食草动物的肠道中。在《自然微生物学》杂志上发表的一篇论文中，加州大学圣巴巴拉分校化学工程和生物工程教授Michelle O'Malley实验室的研究人员证明，一组厌氧真菌 - Neocallimastigomycetes - 可以胜任这项任务。

他们与美国能源部(DOE)联合基因组研究所，劳伦斯伯克利国家实验室，联合生物能源研究所和五大湖生物能源研究中心的同事合作进行了这项工作。

“你可以将木质素视为植物的骨骼系统，”奥马利说，他的研究重点是从原本被认为是植物废物的东西中寻找和获取替代能源和化学品。此外，她说，木质素具有使植物抵抗酶和病原体物理降解的特性。“木质素非常重要 - 它提供了耐寒性和结构，但由于完全相同的原因，它同样难以分解。

几十年来，人们认为木质素只有在氧气存在下才能降解。“这需要时间，并且取决于某些化学物质 - 例如自由基 - 据每个人所知，只有在氧气的帮助下才能制造，”奥马利解释说。

然而，一直有迹象表明，大自然有不止一种方法可以剥离木质素。在工业生物质世界中，为了获得木质素背后的纤维素和半纤维素，植物生物质通常必须经过预处理。但在O'Malley实验室对厌氧微生物的研究中，预处理从来都不是必需的。

“我们从来没有从那里提取木质素，因为我们工作的真菌同样乐意自己提取纤维素和半纤维素，”她说。“因此，这些真菌可以在未经预处理的植物生物量上生长的事实始终是一个独特且不寻常的特征，我们假设它们必须有一种移动木质素的方法。

为了确定这一点，O'Malley实验室对Neocallimastigomycetes组的成员进行了实验。该研究的主要作者Tom Lankiewicz在无氧环境中在杨树，高粱和柳枝稷上培养了一些这些真菌。选择这三种类型的生物质是因为木质素在自然界中的各种表现方式，从草的柔性茎叶到杨树更坚硬的木材。此外，美国能源部正在将这些工厂视为生物燃料和生物基产品的潜在原料。

然后，研究小组跟踪了真菌在处理坚韧纤维时的进展，发现确实，Neocallimastix californiae确实破坏了植物的刚性细胞壁。使用核磁共振等先进的成像技术，他们可以在没有氧气的情况下识别特定的木质素键断裂。

“就人们如何在没有氧气的情况下思考木质素的命运而言，这确实是一种范式转变，”奥马利说。“你可以扩展这一点，以了解木质素在堆肥堆，厌氧消化器或没有氧气的非常深的环境中会发生什么。它推动了我们对这些环境中生物质发生的事情的理解，并改变了我们对可能性的看法以及那里发生的事情的化学性质。

虽然这项研究证明木质素可以在无氧环境中被真菌分解，但研究人员的下一个挑战是找出确切的方法。是否有酶介导这一过程?这是一般厌氧菌的特征吗?就像任何有趣的研究一样，每个答案都会导致更多的问题——这些问题会邀请更多的研究和富有成效的合作。

“当然，这不仅仅是一个单一的实验室工作，”奥马利说。“之所以成为可能，只是因为我们有这么多的合作者，他们带来了他们不同类型的专业知识。

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