Loading ...В новаторском исследовании синтеза целлюлозы — основного компонента клеточных стенок всех растений — группа исследователей из Ратгерского университета в Нью-Брансуике сделала снимки микроскопического процесса непрерывного формирования клеточной стенки в течение 24 часов с использованием живых растительных клеток, предоставив важные сведения, которые могут привести к созданию более крепких растений для увеличения производства продовольствия и более дешевого биотоплива.
Открытие, опубликованное в журнале Science Advances , раскрывает динамический процесс, который ранее не наблюдался, и может найти практическое применение в производстве повседневных продуктов, получаемых из растений, включая улучшенный текстиль, биотопливо, биоразлагаемые пластмассы и новые медицинские изделия.
Ученые также ожидают, что исследование внесет вклад в фундаментальные знания и обеспечит новое понимание формирования клеточных стенок.
Он представляет собой результат более чем шести лет усилий и сотрудничества трех лабораторий, представляющих разные, но взаимодополняющие академические дисциплины Ратгерского университета: Школы искусств и наук, Школы инженерии и Школы экологических и биологических наук.
«Эта работа является первой прямой визуализацией того, как целлюлоза синтезируется и самоорганизуется в плотную сеть фибриллярных волокон на поверхности растительной клетки, с момента первого микроскопического наблюдения Робертом Гуком клеточных стенок в 1667 году», — сказал Сан-Хюк Ли, доцент кафедры физики и астрономии и автор исследования.
«Это исследование также дает совершенно новое представление о том, как простые, базовые физические механизмы, такие как диффузия и самоорганизация, могут приводить к образованию сложных целлюлозных сетей в клетках».
На полученных с помощью микроскопа видеоизображениях видны протопласты — клетки с удаленными стенками — родственного капусте цветкового растения Arabidopsis, хаотично прорастающие нити целлюлозных волокон, которые постепенно самоорганизуются в сложную сеть на внешней поверхности клетки.
«Я был очень удивлен возникновением упорядоченных структур из хаотичного танца молекул, когда впервые увидел эти видеоизображения», — сказал Ли, который также является преподавателем Института количественной биомедицины. «Я думал, что растительная целлюлоза будет производиться гораздо более организованным образом, как это изображается в классических учебниках биологии».
Целлюлоза — самый распространенный биополимер — крупные молекулы, естественным образом производимые живыми организмами — на Земле. Углеводы, являющиеся основным структурным компонентом стенок растительных клеток, целлюлоза широко используется в промышленности для производства ряда продуктов, включая бумагу и одежду. Она также используется в фильтрации, более эффективно задерживая крупные частицы и улучшая текучесть, а также в качестве загустителя в таких продуктах, как йогурт и мороженое.
«Это открытие открывает исследователям возможность начать анализ генов, которые могут играть различную роль в биосинтезе целлюлозы в растении», — сказал Эрик Лэм, заслуженный профессор кафедры биологии растений в Школе экологических и биологических наук Ратгерского университета и автор исследования.
«Знания, полученные в ходе этих будущих исследований, предоставят новые подсказки для подходов к проектированию более совершенных установок для улавливания углерода , повышению устойчивости к различным видам экологических стрессов — от засухи до болезней, а также оптимизации производства целлюлозного биотоплива второго поколения».
Эта работа является воплощением детской мечты Шишира Чундавата, доцента кафедры химической и биохимической инженерии в Школе инженерии Ратгерского университета и автора исследования.
«Меня всегда завораживали растения и то, как они преобразуют солнечный свет через листья в восстановленные формы углерода, такие как целлюлоза, которые образуют клеточные стенки», — сказал Чундават, который планирует исследовать новые способы производства нового, устойчивого биотоплива и биохимических веществ из разнообразного сырья, такого как наземные растения и морские водоросли.
«Я помню, как в средней школе я собирал много листьев разных форм, размеров и цветов для доклада по естествознанию и был очень любопытен, как растения производят всю эту бесчисленную сложность и разнообразие в природе. Этот опыт вдохновил меня глубже вникнуть в фундаментальные явления производства биомассы и ее использования с использованием устойчивой инженерии для производства ценных биопродуктов на благо общества».
Ученые каждой из трех исследовательских групп внесли уникальный и важный вклад.
Когда обычные лабораторные микроскопы перестали справляться с этой задачей и в лучшем случае давали размытые изображения процесса построения клеточной стенки, команда обратилась к передовой сверхразрешающей и минимально инвазивной методике, называемой флуоресцентной микроскопией полного внутреннего отражения.
Подход, при котором получали изображения только нижней поверхности клеток, оказался достаточно чувствительным, чтобы снимать видео в течение 24 часов без обесцвечивания и разрушения клеток.
Ли, биофизик и эксперт по использованию передовых методов микроскопии для изучения живых систем, разработал специальный микроскоп для проекта и руководил процессом получения изображений.
Чундават возглавил группу, которая разработала технологию, позволяющую ученым маркировать появляющиеся целлюлозные усики флуоресцентным белковым красителем.
Чундават — биоинженер и эксперт по белковой инженерии и гликонаукам, изучению сложных углеводов, таких как целлюлоза. Чтобы сделать клетки флуоресцентными и обнаруживаемыми микроскопом, он и его команда разработали зонд, полученный из сконструированного бактериального фермента, который специфически связывается с целлюлозой.
Лэм, эксперт по генетике и биотехнологии растений, и его команда нашли способ удалить клеточную стенку отдельных клеток Arabidopsis, чтобы создать «чистый лист» для новых клеточных стенок, которые будут откладываться протопластными клетками.
«Это дало мало или совсем не дало фоновой целлюлозы, которая могла бы помешать нашей визуализации и отслеживанию вновь синтезированной целлюлозы в оптимизированных условиях», — сказал Лэм.
В исследовании также приняли участие следующие ученые Ратгерского университета: Хьюн Ху, научный сотрудник Института количественной биомедицины; Дхаранидаран Джаячандран, докторант; Мохаммад Ирфан, научный сотрудник кафедры химической и биохимической инженерии; и Джунхонг Сан, лаборант кафедры биологии растений.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
153
