Открыт механизм создания целлюлозы в растениях для прочности и роста
Новое исследование Университета Вирджинии раскрывает, как растения создают несущие структуры, позволяющие им расти, — подобно тому, как строители возводят каркас дома.
Открытие, финансируемое Министерством энергетики США, показывает молекулярный механизм, с помощью которого растения сплетают цепи целлюлозы в кабелеподобные структуры — «микрофибриллы». Эти микрофибриллы обеспечивают критическую поддержку клеточным стенкам наземных растений и позволяют им создавать давление внутри клеток, что и даёт возможность расти вверх.
«Целлюлоза — самый распространённый природный полимер, а её строительный блок, глюкоза, — прямой продукт фотосинтеза, улавливающего CO2 из атмосферы, — говорит исследователь Йохен Циммер. — Понимание на молекулярном уровне, как производится целлюлоза, позволяет нам модифицировать её биосинтез, чтобы изменить физические свойства целлюлозы, оптимизировать связывание углерода или извлечь запасённую энергию для техногенных процессов».
Строительство целлюлозы
Целлюлоза — прочный материал, сопровождавший человеческую эволюцию с самого начала. Она используется в строительных материалах, одежде, бумаге, пищевых добавках и даже медицинских инструментах. Полимер не растворяется в воде, и микробам очень трудно его расщепить.
Исследователи выяснили, как растения создают этот материал. Учёные знали, что целлюлоза состоит из сцепленных вместе молекул глюкозы, но новое исследование описывает молекулярную «машину» для этого процесса. По сути, создан чертёж «фабрик» растений по производству целлюлозы и её транспортировке к поверхности клеток. Эти фабрики известны как комплексы целлюлозосинтазы и расположены в клеточной мембране.
Исследователи обнаружили, что эти фабрики производят три цепи целлюлозы частями, расположенными внутри клетки, и транспортируют полимеры к поверхности клетки через каналы, пересекающие клеточную границу. Каналы высвобождают цепи целлюлозы в единую точку 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.
Целлюлозные прото- и микрофибриллы имеют толщину всего несколько нанометров, но их сила — в количестве. Растения производят микрофибриллу за микрофибриллой для поддержки своих клеток. Собранная структура получается очень прочной — подобно тому, как сухая солома, упакованная определённым образом, образует прочную водонепроницаемую крышу.
Чтобы рассмотреть эти крошечные «фабрики», команда использовала мощный электронный микроскоп Titan Krios, который настолько чувствителен, что погребён глубоко под землёй в тоннах бетона, чтобы защитить от малейших вибраций. Это позволило впервые увидеть производство и сборку самого распространённого биополимера в мире.
«Мы уже сталкиваемся с быстро меняющимися условиями окружающей среды, которые влияют на сельское хозяйство и продовольственную безопасность во всём мире. В будущем понимание того, как растения функционируют на молекулярном уровне, будет становиться всё более важным для здоровья населения», — отметил Циммер.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.