Ученые раскрывают новые детали строительства клеточной стенки растений

Одна из главных проблем в превращении растений в биотопливо заключается в том, что те самые молекулы, которые поддерживают растения, затрудняют их расщепление. Ученые из Национальной лаборатории Брукхейвен Министерства энергетики США изучают, как создаются структурные опоры растительных клеток — их клеточные стенки, — чтобы найти способы изменить их состав для более эффективного производства биотоплива.

В статье, опубликованной 13 декабря 2010 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи описывают, как предшественники лигнина, важного компонента клеточной стенки, транспортируются через клеточные мембраны перед объединением. Ключевое открытие — процесс требует класса энергозависимых транспортных молекул — может дать «слабое звено» для изменения содержания лигнина в растениях.

«Возможность манипулировать биосинтезом лигнина сильно повлияла бы на производство возобновляемого биотоплива из растительной целлюлозы, а также на многие сельскохозяйственные и промышленные процессы, такие как производство бумаги и более усвояемых кормов для животных», — сказал ведущий автор Чан-Джун Лю.

Перед строительством клеточной стенки предшественники лигнина, монолигнолы, создаются во внутренней цитоплазме клетки. Некоторые могут храниться во внутренних вакуолях, а другие выходят из клетки, чтобы сформировать лигниновый компонент клеточной стенки. В обоих случаях предшественники пересекают мембрану, но механизм был неизвестен.

Команда Брукхейвена изолировала участки клеточной и вакуолярной мембраны растений Arabidopsis и тополя, создав из них закрытые везикулы, похожие на пузырьки. Они добавили чистые монолигнолы и их химически модифицированные формы — монолигнол-глюкозиды, — а затем отследили их транспорт через мембраны в различных условиях, включая присутствие ингибиторов разных типов транспортных молекул.

Эксперименты показали, что чистые монолигнолы пересекают клеточную мембрану, а монолигнол-глюкозиды предпочтительно попадают в вакуоли. Однако самое важное: транспорт любого предшественника через любой тип мембраны практически не происходил без добавления АТФ — молекулярной «валюты» энергии в клетках.

«АТФ — это энергетическая молекула, которая, как известно, обеспечивает работу группы транспортеров, называемых АТФ-связывающими кассетными (ABC) транспортерами, на клеточных мембранах», — пояснил Лю.

Добавление агента, специфически ингибирующего ABC-транспортеры, полностью блокировало поглощение предшественников лигнина обоими типами мембранных везикул. Это доказало, что ABC-подобные транспортеры ответственны за транспорт предшественников лигнина.

Теперь ученые будут искать конкретные транспортеры этого класса, участвующие в процессе. Их идентификация позволила бы контролировать экспрессию генов, чтобы снизить содержание лигнина в клеточной стенке или изменить его состав для получения более легко расщепляемых биополимеров.