Тридцать шесть искусных ткачих | Наука и жизнь
Растительные волокна очень давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы встречаемся с ними, когда читаем газету, надеваем джинсы или садимся за рабочий стол. Столь разнообразные по свойствам материалы, как хлопковая ткань, бумага или древесина, схожи по химической структуре. Их основа — растительное волокно целлюлоза. Исследования археологов показывают, что люди используют её со времён палеолита, а это значит, что целлюлоза — материальный носитель нашей культуры уже более 30 тысяч лет. Изобретение и широкое распространение книгопечатания, которое не обошлось без целлюлозы, дали сильный толчок развитию человеческой цивилизации. Возможно, когда-нибудь мы полностью перейдём на электронные книги и журналы, но пока этого не произошло, а школьники и студенты хоть иногда, но пользуются бумажными учебниками и тетрадками, целлюлоза остаётся важным и необходимым участником процесса накопления и передачи знаний.
Клетки коры пробкового дерева. Гравюра из книги Роберта Гука «Micrographia» (Robert Hooke. «Micrographia: Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses». London: J. Martyn and J. Allestry, 1665).
В строении белковых молекул всех живых организмов можно выделить два вида типичных элементов вторичной структуры — α-спираль и β-слой.
Пространственная модель третичной структуры молекулы целлюлозосинтазы, показывающая расположение элементов её вторичной структуры (α-спиралей и β-слоёв) относительно друг друга
В растительных клетках целлюлоза синтезируется сложным белковым целлюлозосинтазным комплексом, модель которого приведена на рисунке.
Микрофотография «вывернутой наизнанку» клетки табака. Видны внутренняя поверхность оболочки растительной клетки и целлюлозосинтезирующий комплекс (в окружности), связанный с микрофибриллой целлюлозы (отмечена стрелкой).
Основу растительных волокон составляют молекулы глюкозы, которые соединяются друг с другом, образуя цепочку молекулы целлюлозы (А).
‹
›
Открыть в полном размере
Но кто же те трудолюбивые «ткачихи», которые изготавливают растительные волокна? Что собой представляют и как работают растительные фабрики, производящие столь качественную продукцию в огромных количествах?
Впервые в поле зрения учёных целлюлоза попала во второй половине XVII века, когда Роберт Гук сфокусировал свой микроскоп на препарате среза пробкового дерева. Английский исследователь увидел сетчатую структуру среза, отдельные ячейки которой он назвал клетками. Теперь мы знаем, что Гук наблюдал не сами клетки, а перегородки между ними — клеточные стенки.
Намного позднее, в первой половине XIX века, французский химик Ансельм Пайен (Anselme Payen) анализировал химический состав перегородок, которые почти за двести лет до этого зарисовал Гук. Он установил, что основную их часть составляет волокнистое вещество. Ансельм Пайен назвал его целлюлозой (от лат. cellula — клетка). Изучение структуры этого вещества показало, что оно представляет собой длинные ниточки или, точнее сказать, цепочки, состоящие из одинаковых повторяющихся звеньев —более мелких молекул глюкозы.
По мере развития биологии исследователей уже интересовало не только описание живых организмов, их формы, окраски, но и то, как они функционируют, почему имеют ту или иную окраску, какими процессами это обеспечивается и как они протекают. К середине XX века стало ясно, что любое присутствующее в растениях или животных вещество образуется в ходе биохимической реакции, для протекания которой требуется тот или иной фермент. Исследователи приступили к изучению метаболизма живых организмов.
В исследовании метаболизма целлюлозы ничто не предвещало серьёзных трудностей. Этот полимер устроен достаточно просто, поэтому предполагалось, что и процессы, обеспечивающие его накопление, не очень сложны. Целлюлозу рассматривали как элемент клеточной стенки растений, а саму клеточную стенку представляли как «картонную коробку» для живого содержимого клетки.
Образование целлюлозы представлялось процессом постепенного утолщения стенок «коробки», подобно тому, как наслаивается накипь на стенках чайника. Однако в действительности всё оказалось значительно сложнее. Многочисленные попытки изучить реакцию накопления целлюлозы и выделить растительный фермент, отвечающий за эту реакцию, не увенчались успехом. Всё большее число экспериментальных данных указывало на то, что в биосинтезе целлюлозы участвует целый комплекс ферментов. Складывалась парадоксальная ситуация: для синтеза довольно простого с точки зрения биохимии вещества в живой клетке оказались задействованными очень сложные механизмы, настолько сложные, что учёные до сих пор не могут воспроизвести биосинтез целлюлозы в пробирке, хотя многое в нём уже понятно благодаря микробиологии, генетике и биоинформатике.
При изучении подобных биологических процессов в ХХ веке часто прибегали к «помощи» бактерий. Клетки этих мельчайших живых организмов устроены проще, чем клетки многоклеточных, поэтому и изучать их легче.
В случае с целлюлозой микробы также сыграли немаловажную роль. Следует отметить, что в целом бактериям несвойственно образование целлюлозы, однако некоторые их виды, среди которых Acetobacter xylinum*, способны синтезировать это вещество**.
Из бактерий Acetobacter xylinum удалось, в отличие от растительных клеток, выделить фермент, который синтезирует целлюлозу. Проанализировав бактериальную целлюлозосинтазу (именно так называется этот фермент), исследователи установили ключевой участок её молекулы, где происходит «нанизывание» отдельных звеньев глюкозы в длинную цепочку целлюлозы. Эта информация оказалась очень ценной, поскольку дала ключ к поиску аналогичных ферментов у растений. К тому же было известно, что подавляющее число ферментов (в том числе и целлюлозосинтаза) относится к белкам.
Если невозможно выделить ферменты, участвующие в биосинтезе целлюлозы, можно выделить гены, которые кодируют эти ферменты. Ведь с генами работать намного проще. А информация о всех имеющихся особенностях структуры ферментов записана в соответствующих генах.
Оказалось, что для осуществления синтеза целлюлозы шесть растительных ферментов должны объединиться вместе, а этот шестикомпонентный комплекс, в свою очередь, должен объединиться с шестью другими такими же шестикомпонентными комплексами.
Объединившись особым образом, эти 36 ферментов встраиваются в биологическую мембрану и только тогда начинают нанизывать отдельные звенья глюкозы, образуя длинную цепочку целлюлозного полимера. Растительная целлюлозосинтаза — это 36 «ткачих», которые по шестеро рассажены в шесть отдельных команд. Каждая «ткачиха» прядёт свою нить — отдельную цепочку целлюлозы, которая сплетается вместе с другими в упругую косичку из 36 ниточек. Такая косичка называется целлюлозной микрофибриллой. Все «ткачихи» должны работать слаженно, чтобы косичка получилась равномерной и без перекосов. Если все ниточки микрофибриллы на месте, косичка сплетена ровно, без брака, то говорят о кристаллической форме целлюлозы, а если косичка где-то расплелась, растрепалась, то это аморфная целлюлоза.
Хорошо сплетённая целлюлозная микрофибрилла — отличная опора для всего растения, а среди них встречаются настоящие гиганты.
Правильно уложенные косички целлюлозы образуют прочный и длинный скелет, который надёжно удерживает и многовековой дуб, и раскидистую иву, прочность которого по большому счёту рождается благодаря стараниям 36 искусных «ткачих».
Исследования молекулярных комплексов, ответственных за биосинтез целлюлозы, важны и перспективны. С одной стороны, они позволяют познавать процессы роста и развития растительной клетки, механизмы обмена информацией между клетками и окружающей средой, другими словами, узнать больше о динамическом равновесии, называемом жизнью. С другой стороны, они открывают возможность изменять и моделировать свойства растительного волокна под запросы конкретной области производства.
Комментарии к статье
* Бактерии Acetobacter xylinum можно встретить в составе сложного микробного сообщества, называемого «чайный гриб».
** На сервере Youtube по ссылке http://www.youtube.com/watch?v=EVBHab7TU_w размещён ролик видеомикроскопии в режиме реального времени, демонстрирующий процесс биосинтеза целлюлозы бактериями Acetobacter xylinum.
Тридцать шесть искусных ткачих
Статья на конкурс «био/мол/текст»: Целлюлоза широко распространена в живой природе: ее молекулы являются самым распространенным биополимером на нашей планете. Это вещество — основной компонент растительных волокон, имеющее огромное значение как для глобальной экосистемы Земли, так и для различных областей промышленного производства. Растительные клетки долго хранили секрет биосинтеза этого полимера, но методы молекулярной генетики и биоинформатики позволили пролить свет на процессы его формирования. Статья посвящена истории открытия и исследования биосинтеза целлюлозы, а также последним результатам моделирования молекулярных комплексов растений, ответственных за биосинтез целлюлозного полимера.
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Лучший обзор».
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.
Растительные волокна очень давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы встречаемся с ними, когда читаем газету, надеваем джинсы или садимся за свой рабочий стол. Столь разнообразные по свойствам материалы как хлопковая ткань, бумага или древесина весьма схожи по химической структуре и представляют собой растительные волокна или целлюлозу.
Исследования археологов показывают, что люди используют их со времен палеолита, а это значит, что уже более 30 тыс. лет целлюлоза была материальным носителем нашей культуры. Изобретение и широкое распространение книгопечатания дало сильный толчок в развитии человеческой цивилизации, который не обошелся без целлюлозы. Возможно, когда-нибудь мы полностью перейдем на электронные книги и журналы, но пока этого не произошло, а школьники и студенты хоть иногда пользуются бумажными учебниками и тетрадками, целлюлоза по-прежнему является важным и необходимым участником процесса накопления и передачи знаний. Но кто же те трудолюбивые «ткачихи», которые все это время изготавливали для нас растительные волокна? Что собой представляют и как работают растительные фабрики, производящие столь качественную продукцию в огромных количествах? Ответить на эти вопросы оказалось непросто.
Впервые в поле зрения ученых целлюлоза попала во второй половине 17 века, когда Роберт Гук сфокусировал свой микроскоп на препарате среза пробкового дерева (рис. 1). Тогда английский исследователь увидел сетчатую структуру среза, отдельные ячейки которой он и назвал клетками (от лат. cellula; еще не целлюлоза, но уже близко даже по звучанию слов). Сейчас мы знаем, что Гук наблюдал не сами клетки, а только перегородки между ними или, как говорят ученые, клеточные стенки.
Рисунок 1. Клетки коры пробкового дерева. Гравюра из книги Роберта Гука Micrographia.
Намного позднее, в первой половине 19 века, французский химик Ансельм Пайя анализировал химический состав перегородок, которые почти двести лет тому зарисовал Гук. Он установил, что основную их часть составляет волокнистое вещество, которое Ансельм Пайя назвал целлюлозой. Изучение структуры этого вещества показало, что оно представляет собой длинные ниточки или, точнее сказать, цепочки, состоящие из одинаковых повторяющихся звеньев, которыми являются более мелкие молекулы глюкозы.
По мере накопления научных фактов, ученые обнаружили интересную закономерность, касающуюся целлюлозы. Растения способны синтезировать целлюлозу и откладывать ее в составе оболочек собственных клеток, а животные же никогда (если быть совсем точным, то за очень редким исключением) не образуют этот полимер. Целлюлоза оказалась таким веществом, которое кардинальным образом отличает растения от животных.
По мере развития биологии ученых уже интересовали не только вопросы описания живых организмов, их формы, окраски, но и то, как они функционируют, почему имеют ту или иную окраску, какими процессами это обеспечивается и как они протекают в клетках живых организмов. К середине 20-го века ученым стало ясно, что если в растениях или животных присутствует какое-либо вещество, то, значит, есть биохимическая реакция, в которой это вещество синтезируется, и фермент, обеспечивающий эту реакцию. Исследователи приступили к изучению метаболизма живых организмов.
В изучении метаболизма целлюлозы ничего не предвещало серьезных трудностей.
Этот полимер устроен достаточно просто, поэтому предполагалось, что и процессы, обеспечивающие его накопление, не очень сложны. Целлюлозу рассматривали как элемент клеточной стенки растений, а саму клеточную стенку представляли как «картонную коробку» для живого содержимого клетки. Образование целлюлозы учёные представляли как процесс постепенного утолщения стенок «коробки» (что-то подобное наслоению накипи на стенках чайника, если его долго не чистить). Однако в действительности все оказалось значительно сложнее. Многочисленные попытки изучить реакцию накопления целлюлозы и выделить растительный фермент не увенчались успехом. Все большее число экспериментальных данных указывало, что при биосинтезе целлюлозы задействован целый комплекс ферментов, составляющий сложную систему. Складывалась парадоксальная ситуация — для синтеза достаточно простого, с точки зрения биохимии, вещества в живой клетке задействованы очень сложные механизмы. Эти процессы оказались настолько сложны, что до сих пор ученые не могут воспроизвести в пробирке биосинтез целлюлозы у растений, хотя многое здесь уже понятно благодаря бактериям, а также методам генетики и биоинформатики.
Как это часто бывало в науке 20 века, бактерии оказывали помощь в изучении сложных биологических процессов. Клетки этих мельчайших живых организмов устроены проще, поэтому и изучать их легче. В случае с целлюлозой микробы также сыграли немаловажную роль. Следует отметить, что в целом для бактерий не свойственно образование целлюлозы, однако некоторые виды, среди которых Acetobacter xylinum (рис. 2, видео), способны синтезировать это вещество [3].
Рисунок 2. Бактерии Acetobacter xylinum: колонии, образующиеся в лабораторных условиях при росте на плотных питательных средах (а) и сложное микробное сообщество, на кухне чаще называемое чайным грибом (б).
[5] (рисунок б)
Видео. Биосинтез целлюлозы бактериями Acetobacter xylinum (видеомикроскопия в режиме реального времени)
Для клеток бактерий Acetobacter xylinum удалось сделать то, что не удавалось сделать для растительных клеток, а именно: выделить фермент, который синтезирует целлюлозу.
Проанализировав бактериальную целлюлозосинтазу (именно так называется фермент, который синтезирует целлюлозу), ученые установили ключевой участок молекулы фермента, где происходит «нанизывание» отдельных звеньев глюкозы в длинную цепочку целлюлозы [6]. Эта информация была очень ценной для исследователей, поскольку позволяла по аналогии с бактериальными ферментами искать похожие ферменты растений. К тому же ученые очень хорошо знали, что подавляющее число ферментов (в том числе и целлюлозосинтаза) относится к белкам, а информация о структуре всех белков записана в генах посредством генетического кода. Другими словами, можно перевести «текст» генетического кода на язык белковых ферментов, а где начинается работа с генетическими последовательностями, там генетики могут подключиться к исследованию и предложить свою помощь.
Если невозможно выделить и изучать ферменты биосинтеза целлюлозы, то можно выделить и изучать гены, которые кодируют эти ферменты. Ведь с генами работать намного проще, чем с ферментами.
А если ферменты, которые изучаются, имеют особенности в своей структуре, то информация об этих особенностях записана и в соответствующих генах. Поэтому можно сравнивать не только сами ферменты и искать в них интересующие участки, но и гены, которые их кодируют. Ученые использовали информацию о структуре бактериальных генов целлюлозосинтаз для поиска их растительных аналогов. Подход генетиков принес долгожданный успех в расшифровке секретов биосинтеза целлюлозы растениями. В 1996 году группе ученых во главе с Дж. Пеар удалось идентифицировать два гена целлюлозосинтаз хлопчатника и один ген риса [7]. Это были первые открытые растительные гены, кодирующие эти ферменты. Располагая данными о структуре растительных генов, ученые смогли перевести генетическую информацию на язык белковой последовательности фермента. В свою очередь, анализ белковых последовательностей при помощи биоинформатических алгоритмов позволил смоделировать структуру растительных целлюлозосинтаз (рис. 3).
Рисунок 3.
Структура целлюлозосинтазы хлопчатника. а — схема вторичной структуры: шесть β-слоев обозначены стрелками, а тринадцать α-спиралей бочонками. б — пространственная структура молекулы: подписаны α-спирали и β-слои с числом, обозначающим их последовательность в аминокислотной цепочке белка (в направлении от N— к С-концу). α-Спирали, выделенные серым цветом, и β-слои, отмеченные желтым, входят в состав каталитического центра фермента.
Оказалось, что для появления способности к синтезу целлюлозы, шесть растительных ферментов должны объединиться вместе, а такой шестикратный комплекс, в свою очередь, должен объединиться с шестью подобными ему шестикратными комплексами. Растительная целлюлозосинтаза оказалась очень «компанейским» ферментом, который работает только в команде, составляющей в конечном итоге 36 отдельных ферментов (рис. 4).
Рисунок 4. Строение целлюлозосинтазного комплекса.
а — модель структуры комплекса. Шесть отдельных ферментов образуют шестикратные комплексы, которые, в свою очередь, формируют целлюлозосинтезирующий комплекс. Каждый фермент синтезирует одну цепочку целлюлозы, которые, соединяясь вместе, формируют целлюлозную микрофибриллу. б — микрофотография внутренней поверхности оболочки растительной клетки табака, полученной с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. Целлюлозосинтезирующий комплекс (в окружности) связан с микрофибриллой целлюлозы (отмечена стрелкой). Риска: 200 нм.
[8] и [9]
Объединившись особым образом, эти тридцать шесть ферментов включаются в биологическую мембрану и только тогда начинают нанизывать отдельные звенья глюкозы в длинную цепочку целлюлозного полимера. Растительная целлюлозосинтаза — это тридцать шесть «ткачих», которые по шесть рассажены в шесть отдельных команд. Каждая ткачиха ткет свою нить — отдельную цепочку целлюлозы, — которая сплетается вместе с другими и дает упругую косичку из 36 отдельных ниточек.
Такая косичка называется целлюлозной микрофибриллой. Все ткачихи должны работать слаженно, чтобы косичка получилась равномерной и без перекосов. Если каждая ниточка микрофибриллы на месте и косичка сплетена ровно, без брака, то ученые говорят о кристаллической форме целлюлозы, а если косичка где-то расплелась, растрепалась, — то это аморфная целлюлоза (рис. 5).
Рисунок 5. Структурная модель микрофибриллы целлюлозы. а — Микрофибрилла целлюлозы, состоящая из 36 целлюлозных цепочек. б — Несколько цепочек целлюлозы, образующие кристаллическую область. в — Цепочка молекулы целлюлозы, состоящая из «звеньев» глюкозы.
Хорошо сплетенная целлюлозная микрофибрилла — отличная опора для всего растения, а среди них встречаются настоящие гиганты. Хорошо уложенные «косички» целлюлозы образуют прочный и длинный опорный скелет, который надежно удерживает и многовековой дуб, и раскидистую иву.
А ведь, по большому счету, эта прочность рождается благодаря стараниям тридцати шести искусных ткачих!
Исследования молекулярных комплексов, ответственных за биосинтез целлюлозы, важны и перспективны, поскольку имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. С одной стороны, исследование биосинтеза целлюлозы позволяет нам познавать процессы роста и развития растительной клетки, понять механизмы обмена информацией между клетками и окружающей средой, другими словами — узнать больше о том динамическом равновесии, называемом жизнью. А с другой стороны, исследование биологических процессов, которые лежат в основе биосинтеза целлюлозы, открывает широкие перспективы влияния на формирование растительного волокна, замены и моделирования его свойств под запросы конкретной области производства.
- L. Sethaphong, C. H. Haigler, J. D. Kubicki, J. Zimmer, D. Bonetta, et. al.. (2013). Tertiary model of a plant cellulose synthase. Proceedings of the National Academy of Sciences.
110, 7512-7517; - Википедия: Micrographia;
- R. Kaushal, T. K. Walker. (1951). Formation of cellulose by certain species ofAcetobacter. Biochem. J.. 48, 618-621;
- R MALCOLMBROWNJR, I SAXENA, K KUDLICKA. (1996). Cellulose biosynthesis in higher plants. Trends in Plant Science. 1, 149-156;
- Википедия: «Чайный гриб»;
- Ross P., Mayer R., Benziman M. (1991). Cellulose biosynthesis and function in bacteria. Microbiol. Rev. 55, 35–58;
- J. R. Pear, Y. Kawagoe, W. E. Schreckengost, D. P. Delmer, D. M. Stalker. (1996). Higher plants contain homologs of the bacterial celA genes encoding the catalytic subunit of cellulose synthase.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 93, 12637-12642;
- Monika S. Doblin, Isaac Kurek, Deborah Jacob-Wilk, Deborah P. Delmer. (2002). Cellulose Biosynthesis in Plants: from Genes to Rosettes. Plant and Cell Physiology. 43, 1407-1420;
- A. J. Bowling, R. M. Brown. (2008). The cytoplasmic domain of the cellulose-synthesizing complex in vascular plants. Protoplasma. 233, 115-127;
- Cosgrove D.J. Cell Walls: Structure, Biogenesis, and Expansion. In: Plant Physiology (2nd Edition) / ed. by Taiz L. and Zeiger E. 2006. P. 313–338.
110, 7512-7517;
Doblin, Isaac Kurek, Deborah Jacob-Wilk, Deborah P. Delmer. (2002). Cellulose Biosynthesis in Plants: from Genes to Rosettes. Plant and Cell Physiology. 43, 1407-1420;Открытие показывает, как растения производят целлюлозу для силы и роста
10 июля 2020 г.
- Джош Барни, jdb9a@virginia.edu
Новое исследование Медицинской школы Университета Вирджинии показывает, как растения создают несущие конструкции, которые позволяют им расти, подобно тому, как строительные бригады возводят каркас дома.
Новое открытие, финансируемое Министерством энергетики США, раскрывает молекулярный механизм, который растения используют для сплетения цепочек целлюлозы в кабелеобразные структуры, называемые «микрофибриллами». Эти микрофибриллы обеспечивают необходимую поддержку клеточным стенкам наземных растений и позволяют им создавать давление внутри своих клеток. Это давление позволяет растениям расти к небу.
«Целлюлоза является наиболее распространенным природным полимером, а ее строительный элемент, глюкоза, является прямым продуктом фотосинтеза, который улавливает углекислый газ из атмосферы», — сказал исследователь Йохен Циммер из отдела молекулярной физиологии и биологической физики Университета штата Калифорния. «Понимание того, как производится целлюлоза на молекулярном уровне, позволяет нам адаптировать ее биосинтез для изменения физических свойств целлюлозы, оптимизации секвестрации углерода или извлечения накопленной энергии для подпитки техногенных процессов».
Создание целлюлозы Целлюлоза с самого начала сопровождала и определяла эволюцию человека.
Из него делают строительные материалы, одежду, бумагу, пищевые добавки и даже медицинские инструменты. Это сложная штука: полимер не растворяется в воде, и микробам очень трудно его разрушить. Это всего лишь несколько примеров уникальных свойств целлюлозы.
Циммер и его коллеги пролили свет на то, как растения создают этот важный материал. Ученым известно, что целлюлоза состоит из молекул глюкозы, простого сахара, связанных вместе, но новое исследование показывает, какие молекулярные механизмы используют для этого растения. По сути, ученые создали схему фабрик, которые растения используют для производства целлюлозы и транспортировки ее на поверхность своих клеток. Эти фабрики известны как комплексы целлюлозосинтазы, и они расположены внутри клеточной мембраны, чтобы обеспечить движение через границу клетки.
Исследователи обнаружили, что фабрики производят три цепочки целлюлозы с частями, расположенными внутри клетки. Они также транспортируют полимеры к поверхности клетки через каналы, пересекающие границу клетки.
Эти каналы высвобождают целлюлозные цепи к единственной точке выхода, чтобы выровнять их в тонкие фибриллярные «протофибриллы». Протофибриллы появляются, как зубная паста из тюбика, в виде нити. Затем они собираются вместе со многими другими в микрофибриллы для выполнения своих основных функций в клеточной стенке.
Прото- и микрофибриллы целлюлозы имеют толщину всего несколько нанометров – нанометр равен одной миллиардной части метра. Но их сила в их количестве. Растения производят микрофибриллы за микрофибриллами, чтобы поддерживать свои клетки. В собранном виде полученная конструкция получается очень прочной. Вы можете думать об этом как о том, как можно упаковать кусочки сухой соломы, чтобы сделать прочную водонепроницаемую соломенную крышу.
Целлюлозные фабрики слишком малы, чтобы их можно было увидеть в обычный световой микроскоп. Чтобы нанести их на карту, Циммер и его коллеги задействовали возможности электронного микроскопа Titan Krios от UVA — машины настолько чувствительной, что она похоронена глубоко под землей, заключена в тонны бетона, чтобы избавить ее даже от малейших вибраций.
Это позволяет ученым открыть для себя увлекательный молекулярный мир, ранее скрытый от человеческого взгляда.
В данном случае это позволило исследовательской группе получить первое представление о производстве и сборке самого распространенного в мире биополимера.
«Мы уже сталкиваемся с быстро меняющимися условиями окружающей среды, которые влияют на сельское хозяйство и продовольственную безопасность во всем мире. В будущем понимание того, как растения работают на молекулярном уровне, будет иметь все большее значение для здоровья населения», — сказал Циммер. «Сейчас как никогда важно инвестировать в науку о растениях».
Опубликованные результатыИсследователи опубликовали свои выводы в журнале Science. В исследовательскую группу входили Паллинти Пурушотам, Руоя Хо и Йохен Циммер.
Исследование проводилось при поддержке Центра изучения структуры и образования лигноцеллюлозы, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики, фундаментальные энергетические науки, награда № DESC0001090.
Центр молекулярной электронной микроскопии UVA финансируется за счет гранта на восстановление Национального института здравоохранения 1G20RR31199. Детектор Titan Krios и Gatan K3/GIF, использованные в исследовании, финансировались грантами NIH SIG S10-RR025067 и U24-GM116790.
Чтобы быть в курсе последних новостей медицинских исследований от UVA, подпишитесь на Making of Medicine блог
Контакты для СМИ
Информация о статье
Новый взгляд на то, как растения производят целлюлозу
Предоставлено: Манчестерский университет.Коллектив Манчестера и Данди узнал больше об одном из самых распространенных биологических веществ на планете.
Профессор Саймон Тернер из Манчестерского университета и доктор Пирс Хемсли из Университета Данди и Института Джеймса Хаттона изучали целлюлозу.
Целлюлоза является основным структурным компонентом растений.
По сути, он обеспечивает растение скелетом. Это также один из наиболее широко используемых природных ресурсов, наиболее известный в виде древесины, хлопка и бумаги, но приобретающий все большее значение в качестве возобновляемого сырья для промышленного применения.
Доктор Хемсли и профессор Тернер открыли важный новый процесс в синтезе целлюлозы, названный S-ацилированием. S-ацилирование включает добавление жирных кислот к белкам для изменения функции белков. Они обнаружили, что когда белки, образующие целлюлозу, известные как комплекс целлюлозосинтазы, не подвергались S-ацилированию, растения больше не могли производить целлюлозу. Это делает S-ацилирование чрезвычайно важной частью процесса синтеза целлюлозы.
Доктор Хемсли сказал: «Эта работа поможет нам понять, как работает комплекс синтазы целлюлозы, как растения образуют целлюлозу и как они укладывают ее в узоры, которые обеспечивают прочность и структуру растения».0003
«Стены клеток растений эволюционировали, чтобы сопротивляться атакам микробов и насекомых, но это также означает, что целлюлозу в стенках клеток растений трудно разрушить и высвободить сахара, необходимые для ферментации в биотопливо или использования в качестве промышленных прекурсоров.
«Эта работа поможет нам манипулировать синтезом целлюлозы, чтобы изменить структуру целлюлозы и, следовательно, сделать ее более открытой для переработки. Мы надеемся, что это позволит нам расщеплять целлюлозу более дешевыми, чистыми и эффективными способами».0003
Профессор Тернер сказал: «Управление и понимание биосинтеза целлюлозы для обеспечения возобновляемых источников энергии и промышленных исходных продуктов при сохранении выхода продуктов питания является важной целью исследований в области науки о растениях. Это будет иметь еще большее значение в будущем, поскольку все больше продуктов питания и энергии будет
«Наша работа подчеркивает критический аспект синтеза целлюлозы, который необходимо учитывать в стратегиях фундаментальных исследований, которые могут помочь решить некоторые этих вопросов продовольственной и энергетической безопасности».
Результаты этой работы опубликованы в журнале Science (8 июля 2016 г., том 353, выпуск 6294, стр.