Los científicos llevan décadas buscando formas de degradar materiales vegetales de manera eficiente y asequible para que puedan convertirse en bioproductos útiles para la vida cotidiana, como biocombustibles, detergentes, suplementos nutricionales e incluso plásticos. Un equipo de investigadores han concluido que las hormigas cortadoras de hojas u hormigas podadoras tienen la clave para la fabricación de estos productos.
Es verdad que los científicos han hallado formas de degradar plantas para producir gran variedad de productos, pero polímeros como la lignina, que es un ingrediente principal en la pared celular de las plantas, siguen siendo increíblemente difíciles de descomponer de manera asequible y sin volver a agregar contaminantes al entorno. Estos polímeros quedan como productos de desecho sin ningún uso posterior.
Es conocido que una comunidad microbiana especializada, compuesta por hongos, hormigas cortadoras de hojas y bacterias, degrada naturalmente las plantas, convirtiéndolas en nutrientes y otros componentes que son absorbidos y utilizados por los organismos y sistemas circundantes. Pero identificar todos los componentes y reacciones bioquímicas necesarias para el proceso seguía siendo un desafío importante. Hasta ahora.
Los autores del informe, que acaba de publicarse en la revista ‘Nature Chemical Biology’, han desarrollado un método que les ha permitido profundizar en el nivel molecular y ver exactamente qué componentes básicos forman parte del proceso de degradación de las plantas, así como qué, cuándo y dónde ocurren las reacciones bioquímicas que lo hacen posible.
Hormigas cortadoras de hojas. / Matthew Nelsen / Field Museu
El equipo descubrió importantes metabolitos y enzimas que estimulan reacciones bioquímicas que son vitales en el proceso de degradación. También observaron que las bacterias residentes en el sistema permiten que el proceso sea aún más eficiente. Los autores del estudio están convencidos de que estos conocimientos pueden aplicarse al futuro desarrollo de biocombustibles y otros bioproductos.
‘Huertos’ subterráneos
Las hormigas crean auténticos ‘huertos subterráneos’ en los que ‘cultivan’ hongos que degradan los polímeros vegetales y otros materiales. Además, los remanentes de este proceso de degradación son utilizados y consumidos por una gran variedad de organismos en el jardín, lo que permite que todos prosperen. No hay desechos
Maegan Murray, responsable de comunicación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), explica las hormigas logran este proceso cultivando los hongos en hojas frescas en estructuras subterráneas especializadas. Estas estructuras acaban convirtiéndose en jardines de hongos que consumen el material.
Los miembros bacterianos residentes ayudan con la degradación al producir aminoácidos y vitaminas que sustentan el ecosistema general del huerto. «Es un sistema simbiótico perfecto«, subrayan los investigadores, que creen que se puede aprender de ése sistema para generar bioproductos.
Ilustración del sistema estudiado por los científicos del LNNP. / Mike Perkins y Nathan Johnson / LNNP
La comunidad de hongos, no obstante, es tremendamente compleja. Si bien las plantas, los hongos, las hormigas y las bacterias son componentes activos en el proceso de degradación de las plantas, «ninguno de ellos se centra en una tarea ni reside en un solo lugar», explican los autores del estudio.
Si además se tiene en cuenta pequeño tamaño de las reacciones bioquímicas que ocurren a nivel molecular, se presenta un rompecabezas increíblemente difícil para los científicos. Pero el nuevo método de imágenes desarrollado por estos investigadores les permite ver exactamente qué sucede durante todo el proceso de degradación.
Utilizando un láser de alta potencia, el equipo escaneó secciones de 12 micrones (un micrón es una milésima parte de un milímetro) de espesor de un huerto de hongos, lo que ayudó a determinar la ubicación de los metabolitos en las muestras y a identificar la ubicación y abundancia de polímeros vegetales como celulosa, xilano y lignina, así como otras moléculas.
‘Regiones calientes’
A partir de ahí, el equipo se centró en las ‘regiones calientes’ en las que se había descompuesto el material vegetal para observar enzimas, que se utilizan para iniciar reacciones bioquímicas en un sistema vivo. Conocer el tipo y la ubicación de estas enzimas les permitió determinar qué microbios formaban parte del proceso.
Todos estos componentes juntos ayudaron a afirmar que el hongo es el principal degradador del material vegetal en el sistema. Además, el equipo determinó que las bacterias transforman polímeros vegetales previamente digeridos en metabolitos que se utilizan como vitaminas y aminoácidos en el sistema. Estas vitaminas y aminoácidos benefician a todo el ecosistema al acelerar el crecimiento de hongos y la degradación de las plantas.
«Estas conclusiones pueden llevarse a un laboratorio y usarse para crear biocombustibles y bioproductos que son importantes en nuestra vida cotidiana», resalta Kristin Burnum-Johnson, líder del grupo científico de Biología Funcional y de Sistemas del PNNL.
El equipo planea utilizar sus hallazgos para futuras investigaciones, con planes específicos para estudiar cómo las comunidades de hongos responden y se protegen en medio de perturbaciones. «Ahora entendemos cómo estos sistemas naturales degradan muy bien el material vegetal», apunta Burnum-Johnson.
https://www.nature.com/articles/s41589-023-01536-7
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