В Ратгерском университете в США провели исследование, в рамках которого впервые наблюдали — и запечатлели на видео, — как растения строят стенки клеток. Подробности экспериментов опубликованы в Science Advances.
Взгляд внутрь клеток растений
Целлюлоза — ключевой компонент клеточных стенок растений, играющий важную роль в поддержании их структуры. Она также широко используется в производстве бумаги, одежды, пищевых загустителей и фильтрующих материалов.
«Это первая прямая визуализация того, как целлюлоза синтезируется и самособирается в плотную сеть фибрилл на поверхности растительной клетки — с момента первого микроскопического наблюдения клеточных стенок Робертом Гуком в 1667 году. Наше исследование также дает совершенно новое представление о том, как простые физические механизмы, такие как диффузия и самоорганизация, могут приводить к формированию сложных целлюлозных сетей в клетках», — рассказал биофизик Сан-Хёк Ли.
Экспериментаторы сумели снять на видео, как протопласты — клетки без внешней оболочки — любимой учеными резуховидки (родственницы капусты) спонтанно начинают формировать целлюлозные нити. Эти нити растут от поверхности клетки в хаотичных на первый взгляд узорах, постепенно объединяясь в высокоорганизованную структуру новой клеточной стенки.
«Я был очень удивлен, когда увидел, как из хаотичного движения молекул возникают упорядоченные структуры, — признался Ли. — Я думал, что целлюлоза образуется гораздо более организованно, как это изображено в классических учебниках биологии».
Междисциплинарное сотрудничество
Открытие стало результатом более шести лет совместной работы трех лабораторий Ратгерса, занимающихся физикой, инженерией и биологией растений. Каждая из них внесла значительный вклад.
Когда стандартные лабораторные микроскопы оказались недостаточно мощными для детального наблюдения за формированием целлюлозы, Ли разработал специализированную систему на основе микроскопии полного внутреннего отражения. Этот метод позволил исследователям получать изображения нижней части клетки высокого разрешения в течение длительного времени без повреждения образцов.
Тем временем доцент кафедры химического и биохимического машиностроения Шишир Чундават руководил разработкой флуоресцентной системы маркировки, которая позволила визуализировать молекулы целлюлозы под микроскопом. Его команда использовала модифицированный бактериальный фермент, который связывается именно с целлюлозой.
«Меня всегда завораживали растения и их умение превращать солнечный свет в углеродные соединения, такие как целлюлоза, — поделился Чундават. — Еще в школе я собирал листья, и это детское любопытство привело меня к изучению биомассы и ее потенциала для создания устойчивых продуктов».
Профессор кафедры биологии растений Эрик Лам, и его команда разработали метод выделения протопластов — клеток, лишенных исходных стенок. Это позволило наблюдать формирование новых целлюлозных волокон с нуля. То есть в эксперименте не было фоновой целлюлозы, которая могла бы помешать наблюдению за вновь формируемой, пояснил Лам.
Прорыв в сельском хозяйстве и производстве биотоплива
Новые данные помогут в будущих генетических и биотехнологических исследованиях, направленных на увеличение производства целлюлозы в сельскохозяйственных культурах. Это может улучшить их устойчивость к засухе, способность улавливать углерод и эффективность переработки биомассы в топливо.
«Это открытие позволяет ученым начать исследование генов, участвующих в биосинтезе целлюлозы, — сказал Лам. — Полученные знания помогут разработать более устойчивые растения, улучшить их сопротивляемость стрессам, от засухи до болезней, и оптимизировать производство биотоплива второго поколения».
Новый параграф в учебниках
Открытие показало, что изначально хаотичное движение молекул в итоге организуется в жизненно важную структуру клеточной стенки, что опровергает традиционные представления об упорядоченном формировании целлюлозы. Это значит, что биология растений — да и жизни в целом — сложна и полна скрытых и еще неизученных процессов.
На основе полученных данных биофизики сделали анимации для школьников, но предупредили, что показанные там процессы в реальности гораздо сложнее — и гораздо красивее.
Квантовые исследования проливают новый свет на то, как общаются клетки
Почему при падении мы не разлетаемся в пыль: исследование о том, как клетки держатся вместе