Учёные изучают формирование древесины для создания материалов будущего
Растения, выйдя из моря на сушу, столкнулись с проблемой: как доставлять воду к листьям, находясь в воздушной среде. Решением стали не насосы, а микроскопические "трубочки" — ксилема, которая пассивно поднимает воду от корней к листьям за счёт давления. Древесина содержит ксилему.
Современные технологии микроскопии и молекулярной биологии позволяют в реальном времени наблюдать формирование древесины на клеточном уровне. Это открывает возможность управлять процессом и создавать новые материалы с заданными свойствами, как отмечает профессор Стаффан Перссон из Мельбурнского университета.
Ключевой компонент: целлюлоза
Основной объект исследования — целлюлоза, органическая молекула из цепочек сахаров. Это один из самых распространённых органических материалов на Земле и главный строительный блок древесины.
Все растительные клетки окружены первичной клеточной стенкой, содержащей целлюлозу. Однако клеткам ксилемы нужна дополнительная прочность, чтобы не схлопнуться под давлением воды. Они формируют вторичную клеточную стенку — толстый целлюлозный слой, который и является основой древесины.
Процесс формирования стенок:
- Сначала образуется первичная стенка, которая действует как "корсет", задавая направление роста клетки.
- После остановки роста внутри первичной стенки начинает формироваться вторичная.
- Затем клетка отмирает, оставляя прочную деревянистую оболочку с порами для тока воды.
Наблюдение в микроскоп
"Фабриками" по производству целлюлозы в клетках являются целлюлозосинтазные (CESA) ферментные комплексы. Разные комплексы производят целлюлозу для первичной и вторичной стенок.
Чтобы понять, как растение переключается между ними, международная группа учёных (Университет Мельбурна, Университет Британской Колумбии, Институт Макса Планка, Университет штата Мичиган) пометила CESA-комплексы флуоресцентными метками:
- Красные — для целлюлозы первичной стенки.
- Зелёные — для целлюлозы вторичной стенки.
Так как древесина обычно формируется глубоко в тканях, исследователи использовали "мастер-регулятор" (транскрипционный фактор), чтобы включить гены, ответственные за образование древесины, в любых клетках растения на поверхности, что облегчило наблюдение под конфокальным микроскопом.
Результат наблюдений: Переход от производства первичной стенки к вторичной происходит быстро, за несколько часов. Целлюлоза для вторичной стенки формируется быстрее, что логично, так как у клетки мало времени до отмирания, чтобы создать прочную структуру.
Перспективы применения
Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, открывает пути для манипулирования процессом образования древесины.
Проблема и решение: Высокая стабильность древесины, ценная для строительства, затрудняет извлечение из неё сахаров для производства биотоплива и других материалов. Управляя процессом формирования, можно повлиять на эту стабильность и упростить экстракцию полезных продуктов.
Это означает, что в будущем, помимо традиционного использования в строительстве и бумажной промышленности, могут появиться новые материалы на основе древесины с заданными свойствами.