Исследование раскрывает механические свойства компонентов клеточных стенок растений

Шведско-австралийское исследование впервые определило индивидуальные механические функции древесных гемицеллюлоз в клеточных стенках растений. Результаты, опубликованные в Nature Communications, открывают возможности для прогресса в материаловедении, а также в пищевой и сельскохозяйственной отраслях.

Роль гемицеллюлоз

Древесина состоит из трёх основных компонентов: лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Молекулярная структура древесины зависит от того, является ли основной гемицеллюлозой ксилан или маннан.

• В хвойных растениях (например, ели) основной гемицеллюлозой является маннан.
• В цветковых растениях (например, берёзе) — ксилан.

Исследование, проведённое учёными из Королевского технологического института KTH, Ноттингемского университета и Квинслендского университета, показало, как эти два гемицеллюлоза по-разному влияют на свойства волокон, связываясь с целлюлозой.

Разный механический вклад

"Мы обнаружили, что ксиланы и маннаны по-разному влияют на биомеханические свойства целлюлозных фибриллярных сетей", — говорит исследователь KTH Франсиско Вилаплана. — "Маннаны улучшают сжатие (стягивание) целлюлозных сетей, а ксиланы улучшают их растяжение (растягивание)".

Оба свойства — сжатие и растяжение — важны для выполнения клеточными стенками их структурной роли в древесине.

Практическое применение

Знание индивидуальной роли каждого гемицеллюлоза открывает новые возможности для создания экологически устойчивых материалов на растительной основе.

"Вы могли бы использовать определённые гемицеллюлозы для настройки свойств биоразлагаемых целлюлоз, чтобы заменить повседневные продукты на нефтяной основе, такие как пластиковая плёнка для хранения продуктов (где нужна растяжимость) или пены (где нужна сжимаемость)", — отмечает Вилаплана.

В сельском хозяйстве эти данные можно использовать, например, для выбора сортов сельскохозяйственных культур с желаемыми механическими свойствами в поле или предпочтительными текстурными свойствами при использовании в пищевых продуктах.

Метод исследования

Определить механические эффекты ксиланов и маннанов было сложно, поскольку не существует древесины без обоих компонентов гемицеллюлозы. Исследователи использовали метод, при котором бактерия Komagataeibacter xylinus синтезирует и выделяет чистую целлюлозу. В среду, куда выделялась эта целлюлоза, учёные отдельно добавляли чистые маннаны и ксиланы, чтобы наблюдать, как они интегрируются в фибриллярную сеть — аналогично тому, как это происходит при образовании клеточных стенок или древесины.