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

एक जंगल के शांत, नम कोनों में, मिट्टी के नीचे और सड़ती हुई लकड़ी के भीतर संसाधनों के लिए एक मौन युद्ध चल रहा होता है। कवक (फंगी) प्राकृतिक दुनिया के महान पुनर्चक्रणकर्ता (रिसाइकलर्स) हैं, जो उन कठिन पौधों के रेशों को तोड़ते हैं जिन्हें अन्य अधिकांश जीव नहीं छू सकते। ऐसा करने के लिए, वे रसायनों का एक मिश्रण स्रावित करते हैं, जिसमें ऑक्सालिक एसिड नामक एक सरल लेकिन शक्तिशाली एसिड शामिल है। यह एसिड एक रासायनिक कुंजी की तरह कार्य करता है, जो जमीन में कठोर खनिजों को घोल देता है ताकि कवक उन्हें पी सके, और यह पर्यावरण के pH स्तर को भी कम कर देता है ताकि कवक के अपने एंजाइम लकड़ी को फाड़ने में तेजी से काम कर सकें। हालांकि, इसी एसिड का एक दोहरा स्वभाव है। जबकि यह कवक को खाने और बढ़ने में मदद करता है, इसकी अधिकता उसी संरचना को कमजोर कर सकती है जिसे कवक अपने लिए बनाता है, जिससे एक मजबूत सामग्री कुछ भंगुर और टूटने के प्रति संवेदनशील बन जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से यह सोच रहे थे कि क्या वे इस रासायनिक संतुलन को बदलकर कवक से बेहतर सामग्रियां बना सकते हैं, लेकिन ऐसा करने के लिए जीव को मारे बिना एसिड को कम करने का एक सटीक तरीका चाहिए था।

ग्योंगसांग नेशनल यूनिवर्सिटी और चोसुन यूनिवर्सिटी, दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं ने 'पेरेनिपोरिया फ्रैक्सीनिया' (Perenniporia fraxinea) नामक सफेद-सड़न वाले कवक (व्हाइट-रॉट फंगस) के एक विशिष्ट प्रकार का उपयोग करके इस विचार का परीक्षण करने का निर्णय लिया। यह कवक पेड़ों पर सख्त, लकड़ी के ब्रैकेट बनाने के लिए जाना जाता है, जो इसे टिकाऊ निर्माण सामग्री बनाने के लिए एक दिलचस्प उम्मीदवार बनाता है। टीम ने एक विशिष्ट जीन पर ध्यान केंद्रित किया जो ऑक्सालिक एसिड के उत्पादन के लिए एक कारखाने के रूप में कार्य करता है। एक आधुनिक जीन-एडिटिंग टूल का उपयोग करते हुए जो आणविक कैंची की तरह काम करता है, उन्होंने इस जीन को बाधित किया ताकि देखा जा सके कि क्या होता है। उन्होंने जीन को पूरी तरह से हटाया नहीं; इसके बजाय, उन्होंने निर्देशों को तोड़ दिया ताकि कवक अपने एसिड उत्पादन के मुख्य हिस्से के लिए जिम्मेदार एंजाइम नहीं बना सके। लक्ष्य यह देखना था कि जब कवक की अपने वातावरण को अम्लीय बनाने की प्राथमिक विधि बाधित हो जाती है, तो वह कैसे प्रतिक्रिया करता है, और क्या यह परिवर्तन उसके द्वारा विकसित किए गए मैट (परत) की मजबूती को बदल देगा।

परिणामों ने दिखाया कि जेनेटिक संपादन बिल्कुल इच्छित परिणाम के अनुरूप काम कर गया, हालांकि पूर्णतः नहीं। संशोधित कवक ने काफी कम ऑक्सालिक एसिड का उत्पादन किया, जो सामान्य कवक के 10.5 मिलीमोल प्रति लीटर से घटकर संपादित संस्करण में 5.1 मिलीमोल प्रति लीटर रह गया। चूंकि एसिड कम था, इसलिए कवक के आसपास का तरल कम अम्लीय हो गया, जिससे pH 4.8 से बढ़कर 5.4 हो गया। इस परिवर्तन का कवक की भोजन के साथ अंतःक्रिया पर तत्काल प्रभाव पड़ा। जब इसे अघुलनशील कैल्शियम फॉस्फेट—एक खनिज का रूप जिसे घोलना कठिन है—वाले माध्यम पर रखा गया, तो संपादित कवक को संघर्ष करना पड़ा। वह पोषक तत्वों तक पहुँचने के लिए खनिज को तोड़ने में असमर्थ रहा। इसी तरह, जब करल को ओक की लकड़ी के बुरादे या केवल लिग्निन (लकड़ी का मुख्य घटक) से बने आहार पर रखा गया, तो वह अन-संपादित संस्करण की तुलना में बहुत खराब तरीके से विकसित हुआ। शोधकर्ताओं ने पाया कि लकड़ी को पचाने के लिए जिम्मेदार एंजाइम संपादित कवक में कम सक्रिय थे, लेकिन इसका मुख्य कारण यह था कि वातावरण उनके कुशलता से काम करने के लिए पर्याप्त अम्लीय नहीं था। जब वैज्ञानिकों ने तरल के pH को मैन्युअल रूप से प्राकृतिक अम्लता के स्तर तक कम किया, तो एंजाइम गतिविधि फिर से बढ़ गई, जिससे यह सिद्ध हुआ कि कवक के पास लकड़ी पचाने के उपकरण तो थे, बस उसके पास उन्हें उपयोग करने के लिए सही रासायनिक वातावरण की कमी थी।

कठिन सब्सट्रेट पर खाने और बढ़ने के इन संघर्षों के बावजूद, संपादित कवक ने कुछ बहुत अधिक प्रभावशाली उत्पादित किया: एक बहुत अधिक मजबूत भौतिक सामग्री। शोधकर्ताओं ने कवक के बड़े मैट उगाए, जो अनिवार्य रूप से कवक के धागों की मोटी चादरें हैं, और उनकी मजबूती का परीक्षण किया। संपादित कवक द्वारा बनाए गए मैट काफी अधिक मजबूत थे। वे उस ब्रेकिंग फोर्स (टूटने वाले बल) को झेल सकते थे जो सामान्य कवक द्वारा बनाए गए मैट की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक था। वे अधिक सख्त भी थे और टूटने से पहले अधिक खिंच सकते थे। यह मजबूती में सुधार केवल एक मामूली बदलाव नहीं था; यह सामग्री के गुणों में एक मौलिक बदलाव था। संपादित कवक ने थोड़े भारी और मोटे मैट भी बनाए, जिनमें धागों की एक अधिक मजबूत ऊपरी परत थी। एसिड के संचय में कमी ने सामग्री को कमजोर होने और रंग बदलने से रोकने में मदद की, जो कवक-आधारित सामग्रियों में आम समस्याएं हैं।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि कवक ने अपने मुख्य एसिड-उत्पादक कारखाने के नुकसान की भरपाई करने की कोशिश कैसे की। कवक ने अन्य मेटाबॉलिक मार्गों की गतिविधि को बढ़ा दिया, जिसका अर्थ है कि उसने अपने आंतरिक रसायन को एक अलग मार्ग के माध्यम से कुछ एसिड का उत्पादन जारी रखने के लिए पुनर्रचना (रूटिंग) की। यह सुझाव देता है कि कवक अत्यधिक अनुकूलन योग्य है और उसके पास बैकअप सिस्टम हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वह अभी भी जीवित रह सके, भले ही उसकी प्राथमिक विधि बाधित हो जाए। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि वातावरण में अधिक उपलब्ध कैल्शियम की उपस्थिति, जो अब गायब एसिड द्वारा लॉक नहीं किया गया था, ने कवक को एक मजबूत कोशिका भित्ति और अधिक सुदृढ़ संरचना बनाने में मदद की होगी। यह खोज इन जीवों के जीव विज्ञान में एक दिलचस्प ट्रेड-ऑफ (संतुलन/समझौता) को उजागर करती है। वही रासायनिक प्रक्रिया जो खनिजों को घोलकर और लकड़ी को पचाकर जंगल में जीवित रहने में कवक की मदद करती है, वह उसके द्वारा बनाई गई सामग्री की संरचनात्मक अखंडता को कमजोर करती प्रतीत होती है।

ऑक्सालिक एसिड उत्पादन के लिए जिम्मेदार जीन को बाधित करके, शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि कवक को विशिष्ट उद्देश्यों के लिए इंजीनियर करना संभव है। जबकि संपादित कवक प्राकृतिक सेटिंग में लकड़ी को तोड़ने में कम कुशल था, वह टिकाऊ सामग्री का एक बेहतर निर्माता बन गया। यह सुझाव देता है कि औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए जहाँ लक्ष्य जंगलों को नष्ट करने के बजाय मजबूत, टिकाव निर्माण खंड बनाना है, वहां एसिड उत्पादन को कम करना एक व्यवहार्य रणनीति है। यह कार्य कवक-आधारित सामग्रियों को विकसित करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो न केवल पर्यावरण के अनुकूल हैं बल्कि यांत्रिक रूप से भी श्रेष्ठ हैं, जो हमें यह सोचने का एक नया तरीका देता है कि हम अपनी जरूरतों के लिए प्रकृति के पुनर्चक्रणकर्ताओं का उपयोग कैसे कर सकते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि कवक द्वारा उपयोग किए जाने वाले जैविक तंत्र को आधुनिक विनिर्माण की मांगों के अनुरूप बदला जा सकता है, जिससे एक प्राकृतिक कमजोरी को संरचनात्मक शक्ति में बदला जा सकता है।