Organisch materiaal kent vele vormen en oorsprongen. Zo is er organisch materiaal van planten, van dieren en mensen, van micro-organismen en van algen. Schimmels spelen een belangrijke rol bij de afbraak en circulatie van dit organisch materiaal in de koolstofcyclus. Dat is het meest zichtbaar en bestudeerd bij organisch materiaal van plantaardige oorsprong. De andere bronnen kunnen schimmels ook afbreken, maar dit is tot nu toe minder onderzocht.
Biopolymeren
Plantenbiomassa is één van de meest voorkomende organische stoffen op aarde en voor veel schimmels de voornaamste koolstofbron. Het bestaat voor een groot deel uit celwanden die zijn opgebouwd uit polymeren, zoals polysachariden (lange suikerketens), lignine (een polymeer van aromatische verbindingen) en eiwitten. Er zijn drie groepen polysachariden: cellulose, hemicellulose en pectine. Deze polysachariden bestaan uit verschillende suikers die met verschillende soorten bindingen aan elkaar zitten. De specifieke structuur van deze polysachariden en de verhouding waarin ze voorkomen verschilt sterk tussen planten en zelfs tussen verschillende onderdelen van de plant (bijvoorbeeld tussen het blad en de stengel). Ook voor lignine geldt dat de structuur en de relatieve hoeveelheid in de plant sterk kan verschillen.
De polymeren samen vormen een matrix die de plantencelwand structuur en stevigheid biedt waardoor de plant rechtop kan groeien. Daarnaast vormen zij een barrière tegen afbraak door bacteriën en schimmels, die echter niet tegen alle micro-organismen bestand is.
Schimmels breken plantenbiomassa af door de lange polymeerketens in kleinere verbindingen te knippen met de enzymen die ze uitscheiden. Enzymen zijn in het algemeen zeer specifiek en kunnen meestal maar één type binding verbreken. Om de grote variatie aan moleculen en bindingen in plantenbiomassa af te kunnen breken en als voedsel te gebruiken, hebben schimmels een breed spectrum aan enzymen nodig.
Levensstijl
Schimmels gebruiken het plantenmateriaal op verschillende manieren, afhankelijk van hun levensstijl. Schimmels die van dood plantenmateriaal leven, zoals blad-afval en stro, worden saprobe schimmels genoemd. Zij hebben een efficiënt enzymsysteem om de suikers uit het al deels vergane plantenmateriaal te halen.
Niet alle saprobe schimmels gebruiken dezelfde enzymen. Er zijn grote verschillen afhankelijk van het plantenmateriaal waar ze op groeien en of ze cellulose, hemicellulose of lignine willen afbreken om als voedsel te gebruiken. Een voorbeeld hiervan zijn de wit-rot schimmels. Dit is een groep van basidiomycete schimmels die op (dood) hout voorkomen. Dat komt omdat zij de enige groep schimmels zijn die zowel polysachariden als lignine goed kunnen afbreken. Hout is heel rijk aan lignine en de meeste andere schimmels kunnen dit niet afbreken of worden er zelfs door geremd in hun groei.
De plantpathogene schimmels richten zich op levend plantenmateriaal. Evenals saprobe schimmels hebben zij een efficiënt enzymsysteem om het plantenmateriaal af te breken, maar daarnaast moeten zij ook in staat zijn om het afweersysteem van de levende plant te weerstaan. Symbionten, zoals Mycorrhiza’s, daarentegen zijn van de gezonde, levende plant afhankelijk voor hun voedsel en maken een fysieke verbinding met de wortels van de plant. Bij het maken van deze verbinding breken zij een deel van de plantencelwand af, maar dit wordt zeer beperkt gedaan om te zorgen dat er zo min mogelijk schade aan de plant wordt aangebracht.
De afbraak
De meeste enzymen die bij de afbraak van organisch materiaal betrokken zijn, werken via een vergelijkbaar mechanisme: zij gaan een interactie aan met het biopolymeer zoals cellulose en splitsen de keten in twee delen.
In de natuur is de competitie voor voedsel zeer groot, ook onder schimmels. Het is dus belangrijk dat de schimmel geen energie verspilt door de verkeerde enzymen te produceren. De samenstelling van het plantenmateriaal is niet alleen zeer variabel als gevolg van variatie in plantensoort, maar ook het seizoen heeft invloed op de samenstelling. Deze verschillen maken dat er verschillende mengsels van enzymen nodig zijn om plantenmateriaal af te breken.
Om te zorgen dat er daadwerkelijk de juiste enzymen geproduceerd worden, heeft de schimmel een systeem om te controleren welke genen (coderend voor enzymen) aan staan en welke niet. Dit systeem ‘voelt’ welke suikers aanwezig zijn en in reactie hierop activeert de schimmel de aanmaak van de benodigde enzymen. Hiertoe wordt het waarnemingssignaal door een sensoreiwit doorgegeven en zorgt het voor het aanzetten van een schakelaar (regulator) in de cel. Deze schakelaar kan genen aan- en uitzetten, vergelijkbaar met een lichtschakelaar in een huis.
De schakelaar zet twee typen genen aan. Ten eerste, genen die ervoor zorgen dat er enzymen worden geproduceerd die polysachariden of andere biopolymeren omzetten in suikers die de schimmel kan opnemen als voedsel. Ten tweede, genen die ervoor zorgen dat er enzymen worden geproduceerd die de suikers kunnen omzetten in energie en bouwstoffen voor de groei van de schimmel. Het mooie van dit systeem is dat zodra een polysacharide op is, deze niet langer wordt waargenomen en de schakelaar wordt uitgezet, zodat de schimmel ophoudt met het maken van de afbraakenzymen voor dit bepaalde polysacharide.
Schimmelgenomen
Voordat de eerste genoomsequenties van schimmels bekend waren, was ons begrip van de schimmelenzymen die planten afbreken vooral gebaseerd op kennis van enzymen die gezuiverd waren uit schimmelkweken. De eerste genoomsequenties lieten vooral zien hoe weinig we eigenlijk wisten. De sets van enzymen voor biomassa-afbraak in de schimmelgenomen was veel groter dan we tot dan toe dachten. Ook bleken de enzym-sets van schimmels sterk te verschillen, waardoor het mogelijk werd om relaties te leggen tussen de afbraak van verschillende typen plantenbiomassa door schimmels en het potentieel in het genoom van die schimmels. Tevens zorgde dit voor de ontdekking van verschillende nieuwe typen enzymen, wat een enorme invloed heeft gehad op de toepassingen van schimmelenzymen in de productie van papier, voedsel, wijn, biobrandstoffen, biochemicaliën en biomaterialen.
Momenteel zijn de genomen van ongeveer 800 schimmels bekend, wat een rijkdom aan informatie en inzichten opgeleverd heeft, maar wat nog slechts een kleine subset is van alle schimmelsoorten die op aarde aanwezig zijn. Er is dus nog veel te ontdekken en te begrijpen over de afbraak van organisch materiaal door schimmels.