Эффективная и разумная утилизация отходов без выбросов в атмосферу парниковых газов и загрязнения окружающей среды – одна из важных задач современного общества. Уже разработано множество технологий, превращающих мусор, в частности, в биотопливо или пластмассы. Но есть вещества, для переработки которых технологию подобрать пока не удаётся; например, лигнин – основной ингредиент клеточной стенки растений, который составляет значительную массу растительных отходов. И здесь на помощь вновь может прийти природа.

В ходе эволюции появились такие сообщества, которые научились утилизировать отходы. Это специализированное микробное содружество, состоящее из грибов, муравьев-листорезов и бактерий, естественным образом разлагающее растения, превращая их в питательные вещества и другие компоненты, которые усваиваются и используются окружающими организмами и системами. Но идентификация всех компонентов и биохимических реакций, необходимых для процесса, оставалась серьёзной проблемой до сих пор. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория США не только справилась с проблемой, но и разработала модель, которая может стать прорывом при переработке мусора.

Уже миллионы лет муравьи-листорезы возделывают грибные сады. Они собирают на поверхности надземные части свежих растений (чаще всего листочки и цветы) и несут в гнездо. Насекомые выращивают свой гриб, подкармливая свежесрезанной растительностью и оберегая его от вредителей и плесени. Эти взаимные отношения дополняются другим симбиотическим партнёром – бактерией, которая растёт на муравьях и выделяет химические вещества; по сути, муравьи используют противомикробные препараты. Муравьи-листорезы чувствительны, чтобы адаптироваться к реакции грибов на различную растительность (они, по-видимому, улавливают химические сигналы, исходящие от гриба). Если конкретный вид листьев токсичен для гриба, колония больше не будет (!) его собирать.

Американские учёные исследовали связи этого сложнейшего симбиотического партнёрства. Для этого они разработали метод визуализации, называемый metabolome informed proteome imaging (MIPI). Метод позволяет рассмотреть процессы в «грибном саду» на молекулярном уровне и увидеть, какие базовые компоненты являются частью процесса разложения растений, а также какие, когда и где происходят важные биохимические реакции, которые делают это возможным. Оказалось, что гриб – основной разрушитель растительного материала, а назначение бактерий — сделать процесс ещё более эффективным: они трансформируют ранее переваренные растительные полимеры в метаболиты, которые используются в системе в качестве витаминов и аминокислот. Эти витамины и аминокислоты приносят пользу всей экосистеме, ускоряя рост грибов и деградацию растений.

Сделать открытие раньше не удавалось из-за того, что система сообщества очень сложная, а множественные её участники — крохотные существа. Сейчас же использовались новейшие приборы и компьютерные возможности. В частности, применили мощный лазер; учёные просканировали участки грибного сада размером 12 микрон — это примерно та же толщина, что у пищевой плёнки.

Учёные надеются, что их работа уже в ближайшем будущем найдет применение для развития технологий по переработке мусора в биотопливо и биопродукты. Исследование опубликовано в журнале в Nature Chemical Biology.