Создание светящейся древесины с помощью гриба-паразита

В швейцарских лесах для борьбы с изменением климата и короедом высаживают больше лиственных деревьев. Их древесину желательно использовать многократно, прежде чем сжечь, чтобы CO₂ дольше оставался связанным. Однако сейчас твердую древесину часто сжигают сразу.

Нужны инновационные идеи для более устойчивого каскадного использования. Одна из возможностей — придать натуральному материалу новые свойства (функционализировать его), превратив, например, в магнитную, водоотталкивающую или генерирующую электричество древесину.

Команда под руководством исследователя грибов Фрэнсиса Шварце из лаборатории Empa «Целлюлоза и древесные материалы» работает над созданием нового композитного материала на основе твердой древесины — светящейся древесины. Помимо технических применений, её можно использовать для дизайнерской мебели или украшений.

Переплетённые живые материалы

Это стало возможным благодаря паразиту — опёнку, который вызывает белую гниль деревьев. Некоторые виды производят природное вещество люциферин, которое начинает светиться в результате двухстадийного ферментативного процесса. Древесина, пронизанная грибными гифами, испускает зелёный свет.

«Естественно светящуюся древесину впервые описал около 2400 лет назад греческий философ Аристотель», — говорит Шварце. Переплетённая структура гриба и древесины представляет собой природный биогибрид.

«Искусственно созданные композитные материалы такого типа были бы интересны для многих применений», — говорит исследователь. Но то, что природа делает легко, до сих пор было сложно для биотехнологии. Впервые команде Empa удалось вызвать и контролировать этот процесс в лаборатории. Результаты опубликованы в журнале Advanced Science.

Из леса в лабораторию

Фрэнсис Шварце нашёл в природе светящиеся грибы, проанализировал их в лаборатории и расшифровал генетический код. Особенно мощным оказался опёнок бесстебельный (Desarmillaria tabescens). После предварительных испытаний с разными породами древесины, Шварце начал работать с бальзой (Ochroma pyramidale) — древесиной с очень низкой плотностью.

С помощью спектроскопии исследователи наблюдали, как гриб разлагает лигнин в образцах бальзы, отвечающий за жёсткость и прочность на сжатие. Однако рентгеноструктурный анализ показал, что стабильность древесины не уменьшается: целлюлоза, обеспечивающая прочность на растяжение, осталась нетронутой.

Условие: влажная среда

Биогибрид гриба и древесины достигает максимальной светимости после трёх месяцев инкубации. Desarmillaria любит влагу: образцы бальзы впитали влаги в 8 раз больше собственного веса. Ферментативная реакция в древесине запускается при контакте с воздухом.

Свечение достигает пика примерно через 10 часов, испуская зелёный свет с длиной волны 560 нанометров, как определила исследователь Empa Джорджия Джованнини с помощью флуоресцентной спектроскопии. Захватывающий процесс длится около 10 дней. «Сейчас мы оптимизируем лабораторные параметры, чтобы в будущем ещё больше увеличить светимость», — говорит исследователь.

В природе биолюминесценция встречается у многих организмов. Свет генерируется в ходе химических реакций, высвобождающих энергию в форме света и тепла. Если сравнить светогенерирующие реакции по квантовому выходу, то победит светлячок (40%), светящиеся медузы достигают 17%, а светящиеся грибы — 2%.

Светящиеся грибы

Более 70 видов грибов обладают биолюминесценцией. Их свечение в гниющей древесине называют «лисьим огнём» (foxfire — гибрид французского «faux» и английского «fire»). Цель свечения у грибов до конца не ясна. Возможно, это привлечение насекомых для распространения спор.

В природе светящуюся древесину трудно найти, потому что повсеместное искусственное освещение ночью мешает её заметить. Исследователь Empa Фрэнсис Шварце советует искать мёртвую древесину под влажными осенними листьями в безлунную осеннюю ночь в смешанном буковом лесу. При удаче можно обнаружить гриб и его светящуюся древесную «трапезу».