Американские ученые впервые визуализировали, как живые растительные клетки синтезируют целлюлозу и формируют клеточные стенки — процесс, лежащий в основе жизни всех растений. Используя передовые методы микроскопии, исследователи смогли наблюдать в реальном времени, как хаотично растущие целлюлозные волокна самоорганизуются в сложную сеть, создающую каркас клетки. Это открытие не только раскрывает фундаментальные механизмы, которые оставались загадкой со времен первых микроскопических наблюдений клеток в XVII веке, но и открывает новые перспективы для создания более устойчивых сельскохозяйственных культур, эффективных видов биотоплива и биоразлагаемых материалов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Целлюлоза — основа клеточных стенок растений и самый распространенный биополимер на Земле. Она используется в производстве бумаги, тканей, биотоплива и даже продуктов питания. Несмотря на ее важность, до сих пор ученые не могли наблюдать, как именно клетки создают целлюлозные волокна и формируют из них сложные сети. Классические учебники описывали этот процесс как строго упорядоченный, во время которого молекулы целлюлозы аккуратно выстраиваются в предсказуемые структуры.
В качестве объекта исследования ученые использовали протопласты (растительные клетки, у которых удалили клеточные стенки) Arabidopsis thaliana — растения из семейства капустных. Это позволило ученым наблюдать, как новые структуры формируются «с нуля». Чтобы сделать целлюлозу видимой, команда разработала специальный флуоресцентный зонд на основе бактериального фермента, который избирательно связывался с волокнами целлюлозы. Это позволило «подсветить» биополимер и отслеживать его рост в реальном времени. Биологи применили метод микроскопии полного внутреннего отражения, который позволил получить изображения с высоким разрешением, фокусируясь только на тонком слое на поверхности клетки. Этот подход не только обеспечил четкую визуализацию, но и минимизировал повреждение клеток, что позволило вести непрерывную съемку в течение 24 часов.
Результаты показали, что протопласты сначала хаотично выпускают целлюлозные нити, которые затем постепенно самоорганизуются в плотную сеть на поверхности клетки. Ключевую роль в этом процессе играют простые физические механизмы — диффузия и самосборка. Отдельные цепочки целлюлозы, синтезируемые ферментами на поверхности клетки, сначала движутся случайным образом, но затем спонтанно объединяются в микрофибриллы, формируя основу клеточной стенки. «Я был очень удивлен появлением упорядоченных структур из хаотичного танца молекул, когда впервые увидел эти видеозаписи, — рассказал Сан-Хюк Ли, один из авторов исследования из Ратгерского университета. — Я думал, что растительная целлюлоза образуется гораздо более организованным образом, как показано в классических учебниках по биологии».
Исследование впервые позволило пронаблюдать, как растительные клетки создают целлюлозу и формируют клеточные стенки. Ученые обнаружили, что ключевые механизмы, такие как диффузия и самосборка, гораздо более динамичны, чем предполагалось ранее, что имеет фундаментальное значение для биологии. Полученные данные открывают перспективы для создания сельскохозяйственных культур, устойчивых к засухе и болезням, а также для улучшения технологий производства биотоплива и разработки экологически чистых материалов. В будущем исследователи планируют подробнее изучить генетические и биохимические механизмы синтеза целлюлозы, что может привести к созданию растений с улучшенными свойствами.
Автор: Богдан Скиба.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
