Новое исследование Медицинской школы Университета Вирджинии показывает, как растения создают несущие конструкции, которые позволяют им расти - так же, как строительные бригады возводят каркас дома.
Новое открытие, финансируемое Министерством энергетики США, раскрывает молекулярный механизм, который растения используют для сплетения цепочек целлюлозы в кабельные структуры, называемые «микрофибриллами». Эти микрофибриллы обеспечивают необходимую поддержку клеточным стенкам наземных растений и позволяют им создавать давление внутри своих клеток. Это давление позволяет растениям расти к небу.
«Целлюлоза является наиболее распространенным природным полимером, а ее структурный элемент, глюкоза, является прямым продуктом фотосинтеза, который улавливает углекислый газ из атмосферы», - сказал исследователь Йохен Циммер, доктор философии, из отдела молекулярной физиологии Университета штата Калифорния. и биологическая физика. «Понимание того, как производится целлюлоза на молекулярном уровне, позволяет нам адаптировать ее биосинтез для изменения физических свойств целлюлозы, оптимизации секвестрации углерода или извлечения накопленной энергии для подпитки антропогенных процессов».
Создание целлюлозы
Целлюлоза - прочный материал, сопровождавший и формировавший человеческую эволюцию с самого начала. Из него делают строительные материалы, одежду, бумагу, пищевые добавки и даже медицинские инструменты. Полимер не растворяется в воде, и микробам очень трудно его разрушить. Это всего лишь несколько примеров уникальных свойств целлюлозы.
Циммер и его коллеги пролили свет на то, как растения создают этот важный материал. Ученым известно, что целлюлоза состоит из молекул глюкозы, простого сахара, связанных вместе, но новое исследование показывает, какие молекулярные механизмы используют для этого растения. По сути, ученые создали план фабрик, которые растения используют для производства целлюлозы и транспортировки ее на поверхности своих клеток. Эти фабрики известны как комплексы целлюлозосинтазы, и они располагаются внутри клеточной мембраны, обеспечивая движение через границу клетки.
Фабрики, как выяснили исследователи, производят три цепочки целлюлозы, части которых расположены внутри клетки. Они также транспортируют полимеры к поверхности клетки через каналы, пересекающие границу клетки. Эти каналы высвобождают целлюлозные цепи к единственной точке выхода, чтобы выровнять их в тонкие фибриллярные «протофибриллы». Протофибриллы появляются, как зубная паста из тюбика, в виде нити. Затем они собираются вместе со многими другими в микрофибриллы для выполнения своих основных функций в клеточной стенке.
Прото- и микрофибриллы целлюлозы имеют толщину всего несколько нанометров - нанометр равен одной миллиардной части метра. Но их сила в их количестве. Растения производят микрофибриллы за микрофибриллами, чтобы поддерживать свои клетки. В собранном виде полученная конструкция получается очень прочной. Вы можете думать об этом как о том, как из кусочков сухой соломы можно сделать прочную водонепроницаемую соломенную крышу.
Целлюлозные фабрики слишком малы, чтобы их можно было увидеть в обычный световой микроскоп. Чтобы нанести их на карту, Циммер и его коллеги воспользовались возможностями электронного микроскопа Titan Krios компании UVA. Это настолько чувствительная машина, что она зарыта глубоко под землю, заключена в тонны бетона, чтобы избавить ее даже от малейших вибраций. Это позволяет ученым открыть для себя увлекательный молекулярный мир, ранее скрытый от человеческого взгляда.
В данном случае это позволило исследовательской группе получить первое представление о производстве и сборке самого распространенного в мире биополимера.
«Мы уже сталкиваемся с быстро меняющимися условиями окружающей среды, которые влияют на сельское хозяйство и продовольственную безопасность во всем мире. В будущем понимание того, как растения работают на молекулярном уровне, будет иметь все большее значение для здоровья населения», - сказал Циммер. «Сейчас как никогда важно инвестировать в науку о растениях».
Исследование было поддержано в рамках Центра изучения структуры и формирования лигноцеллюлозы, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики, фундаментальная энергетическая наука, награда № DESC0001090.