Учёные создали первую макромолекулярную модель вторичной клеточной стенки растений

Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США с помощью междисциплинарного подхода количественно определили взаимное расположение и организацию полимеров в древесине тополя и создали компьютерную модель, детализирующую эти данные.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, может стать ключом к эффективному разделению и деконструкции биомассы для её преобразования в топливо, химикаты и материалы. Учёным давно известно, что вторичная клеточная стенка лиственных пород состоит из трёх основных биополимеров — целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, — но детальное и количественное понимание их взаимного расположения оставалось недостижимым.

Ведущий специалист по ЯМР-спектроскопии NREL и первый автор статьи Беннетт Аддисон привёл аналогию с разрушенным домом: «Груда обломков всё ещё состоит из дерева, бетона, гипсокартона и стекла, но это уже определённо не дом. Важно то, как отдельные компоненты расположены друг относительно друга. Точно так же нельзя просто взять целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, сбросить их в кучу и назвать это вторичной клеточной стенкой растения».

Исследователи использовали достижения в области технологии твёрдотельного ядерного магнитного резонанса (ssNMR), чтобы получить уточнённые данные о структурной конфигурации клеточной стенки, межмолекулярных взаимодействиях и относительном положении биополимеров в древесине.

Использование ssNMR позволило построить компьютерную модель клеточной стенки, которая дала большее представление о роли лигнина. Лигнин, придающий растению пластичность, считается наиболее устойчивой к разложению частью клеточной стенки.

«Представление результатов в виде вычислительно доступной молекулярной модели принципиально полезнее, чем концептуальная иллюстрация, — сказал соавтор исследования Питер Чисельски. — Это позволяет нам быстро проверять гипотезы о роли и поведении каждого компонента в среде, основанной на физических законах, и раскрывает возможности современных высокопроизводительных вычислений. Это поможет разработать более эффективные методы деконструкции или выявить молекулярные модификации для получения лучших биоматериалов».

Другой соавтор, Янник Бомбл, отметил, что предыдущие исследования полагались на методы, дававшие в целом неполные или неубедительные результаты, которые приводили к схематичным рисункам со связями между биополимерами.

«Впервые у нас действительно есть представление о структуре в целом, причём полученное количественным методом с таким уровнем детализации, — сказал Бомбл. — Этого никогда не удавалось достичь раньше».