Disruption of Oxaloacetate Acetylhydrolase Impairs Lignocellulose Utilization but Enhances Mycelial Material Properties in Perenniporia fraxinea

في الزوايا الهادئة والرطبة من الغابة، تدور معركة صامتة على الموارد تحت التربة وداخل الخشب المتعفن. الفطريات هي العمال الكبار في إعادة تدوير العالم الطبيعي، حيث تقوم بتفكيك ألياف النباتات الصلبة التي لا تستطيع معظم الكائنات الحية الأخرى لمسها. وللقيام بذلك، تفرز مزيجاً من المواد الكيميائية، بما في ذلك حمض بسيط ولكنه قوي يسمى حمض الأكساليك. يعمل هذا الحمض كمفتاح كيميائي، حيث يذيب المعادن الصلبة في الأرض لكي يتمكن الفطر من شربها، كما أنه يخفض درجة الحموضة (pH) في البيئة لمساعدة إنزيمات الفطر نفسه على العمل بشكل أسرع في تمزيق الخشب. ومع ذلك، فإن لهذا الحمض نفسه طبيعة ذات حدين؛ فبينما يساعد الفطر على الأكل والنمو، إلا أن كثرته قد تضعف البنية التي يبنيها الفطر لنفسه، محولةً مادة متينة إلى شيء هش وعرضة للكسر. لطالما تساءل العلماء عما إذا كان بإمكانهم ضبط هذا التوازن الكيميائي لإنشاء مواد أفضل من الفطريات، لكن القيام بذلك تطلب طريقة دقيقة لخفض مستويات الحمض دون قتل الكائن الحي.

قرر باحثون في جامعة جيونغسانغ الوطنية وجامعة تشوسون في كوريا الجنوبية اختبار هذه الفكرة باستخدام نوع محدد من فطريات العفن الأبيض يسمى Perenniporia fraxinea. يُعرف هذا الفطر بتكوين رفوف خشبية صلبة على الأشجار، مما يجعله مرشحاً مثيراً للاهتمام لإنشاء مواد بناء مستدامة. ركز الفريق على جين محدد يعمل كمصنع لإنتاج حمض الأكساليك. وباستخدام أداة تعديل جيني حديثة تعمل مثل المقصات الجزيئية، قاموا بتعطيل هذا الجين لمعرفة ما سيحدث. لم يكتفوا بمجرد إزالة الجين تماماً، بل قاموا بكسر التعليمات بحيث لا يستطيع الفطر صنع الإنزيم المسؤول عن الجزء الأكبر من إنتاج الحمض الخاص به. كان الهدف هو مراقبة كيفية تفاعل الفطر عندما يتم إعاقة طريقته الأساسية في تحميض بيئته، وما إذا كان هذا التغيير سيغير قوة الحصائر التي ينموها.

أظهرت النتائج أن التعديل الجيني نجح تماماً كما كان مخططاً له، وإن لم يكن مثالياً. فقد أنتج الفطر المعدل كمية أقل بكثير من حمض الأكساليك، حيث انخفض من تركيز 10.5 ميلي مول لكل لتر في الفطر الطبيعي إلى 5.1 ميلي مول لكل لتر في النسخة المعدلة. وبسبب قلة الحمض، أصبح السائل المحيط بالفطر أقل حموضة، حيث ارتفع الرقم الهيدروجيني (pH) من 4.8 إلى 5.4. وكان لهذا التغيير عواقب فورية على كيفية تفاعل الفطر مع طعامه. فعند وضعه في وسط يحتوي على فوسفات الكالسيوم غير القابلة للذوبان — وهي صورة من صور المعادن الصعبة الذوبان — واجه الفطر المعدل صعوبة في النمو؛ إذ لم يستطع تفكيك المعدن للوصول إلى العناصر الغذائية بداخله. وبالمثل، عندما وُضع الفطر على نشارة خشب البلوط أو نظام غذائي مكون فقط من اللجنين، وهو المكون الرئيسي للخشب، نما بشكل ضعيف جداً مقارب بالنسخة غير المعدلة. ووجد الباحثون أن الإنزيمات المسؤولة عن هضم الخشب كانت أقل نشاطاً في الفطر المعدل، ولكن كان ذلك يعود بشكل كبير إلى أن البيئة لم تكن حمضية بما يكفي لتعمل بكفاءة. وعندما قام العلماء بخفض الرقم الهيدروجيني للسائل يدوياً ليتناسب مع الحموضة الطبيعية، استعاد نشاط الإنزيم عافيته، مما أثبت أن الفطر لا يزال يمتلك الأدوات لهضم الخشب، لكنه يفتقر فقط إلى البيئة الكيميائية لاستخدامها.

وعلى الرغم من هذه الصعوبات في الأكل والنمو على الركائز الصلبة، أنتج الفطر المعدل شيئاً أكثر إثارة للإعجاب: مادة فيزيائية أقوى بكثير. قام الباحثون بتنمية حصائر كبيرة من الفطر، وهي في الأساس بطانيات سميكة من الخيوط الفطرية، واختبروا قوتها. كانت الحصائر التي صنعها الفطر المعدل أقوى بكثير؛ حيث استطاعت تحمل قوة كسر أعلى بنحو ثلاث مرات من الحصائر التي صنعتها الفطريات الطبيعية. كما كانت أكثر صلابة وقادرة على التمدد لمسافة أطول قبل أن تنكسر. لم يكن هذا التحسن في القوة مجرد تعديل طفيف، بل كان تحولاً جوهرياً في خصائص المادة. كما أنتج الفطر المعدل حصائر أثقل وأسمك قليلاً، مع طبقة علوية أكثر متانة من الخيوط. ويبدو أن تقليل تراكم الحمض قد منع ضعف المادة وتغير لونها، وهي مشكلات شائعة في المواد القائمة على الفطريات.

كشفت الدراسة أيضاً كيف حاول الفطر التعويض عن فقدان مصنع إنتاج الحمض الرئيسي لديه. فقد قام الفطر برفع نشاط مسارات أيضية أخرى، مما يعني عملياً إعادة توجيه كيميائه الداخلية للحفاظ على إنتاج بعض الحمض عبر مسار مختلف. وهذا يشير إلى أن الفطر شديد التكيف ويمتلك أنظمة احتياطية لضمان قدرته على البقاء حتى عندما يتم إغلاق طريقته الأساسية. لاحظ الباحثون أن وجود المزيد من الكالسيوم المتاح في البيئة، والذي لم يعد محبوساً بسبب غياب الحمض، ربما ساعد الفطر على بناء جدار خلوي أقوى وبنية أكثر متانة. يسلط هذا الاكتشاف الضوء على مقايضة رائعة في بيولوجيا هذه الكائنات؛ فذات العملية الكيميائية التي تساعد الفطر على البقاء في البرية عن طريق إذابة المعادن وهضم الخشب، تبدو وكأنها تضعف السلامة الهيكلية للمادة التي ينتجها.

من خلال تعطيل الجين المسؤول عن إنتاج حمض الأكساليك، أثبت الباحثون أنه من الممكن هندسة الفطريات لأغراض محددة. وبينما كان الفطر المعدل أقل كفاءة في تفكيك الخشب في البيئة الطبيعية، فقد أصبح بانيًا فائقًا لمواد متينة. يشير هذا إلى أنه بالنسبة للتطبيقات الصناعية حيث يكون الهدف هو إنشاء وحدات بناء قوية ومستدامة بدلاً من تفكيك الغابات، فإن تقليل إنتاج الحمض يعد استراتيجية قابية للتطبيق. يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لتطوير المواد الفطرية التي لا تكون صديقة للبيئة فحسب، بل متفوقة ميكانيكياً أيضاً، مما يقدم طريقة جديدة للتفكير في كيفية تسخير معادلي الطبيعة من أجل الاحتياجات البشرية. وتؤكد الدراسة أن الآليات البيولوجية التي تستخدمها الفطريات للازدهار في البرية يمكن تعديلها لتناسب متطلبات التصنيع الحديث، مما يحول الضعف الطبيعي إلى قوة هيكلية.