Вчені вперше зняли процес синтезу целюлози в реальному часі (фото+відео)

16 квітня 2025 р. 14:08

16 квітня 2025 р. 14:08

Міждисциплінарна команда науковців Ратгерського університету вперше в історії отримала безперервні зображення синтезу целюлози в живих рослинних клітинах, відкривши нові перспективи для сільського господарства, біоенергетики та матеріалознавства.

Дослідження, опубліковане в журналі Science Advances, є результатом шестирічної співпраці. Воно розкриває раніше не задокументовану клітинну активність. Команда спостерігала за живими клітинами протягом 24 годин безперервно. Це перший випадок візуалізації динамічного процесу формування клітинних стінок у реальному часі.

Проєкт об’єднав фахівців з трьох різних підрозділів Ратгерського університету. Дослідники працювали в Школі мистецтв і наук, Інженерній школі та Школі екологічних і біологічних наук. Така міждисциплінарна співпраця була ключем до успіху.

“Ця робота є першою прямою візуалізацією того, як целюлоза синтезується і самозбирається в щільну мережу фібрил на поверхні рослинної клітини,” – пояснює Санг-Хюк Лі, доцент кафедри фізики та астрономії. Він додає, що такі спостереження не проводилися з часів перших мікроскопічних досліджень Роберта Гука у 1667 році.

Спостереження за самозбіркою целюлози

На відеозображеннях, отриманих під мікроскопом, видно унікальний процес. Дослідники використовували протопласти – клітини з видаленими стінками. Ці клітини походили з рослини арабідопсис, близького родича капусти.

Відео показує хаотичне проростання целюлозних волокон. Поступово ці волокна самоорганізуються у складну мережу. Вони формують структуру на зовнішній поверхні клітини. Цей процес суттєво відрізняється від класичних уявлень.

“Я був дуже здивований появою впорядкованих структур з хаотичного танцю молекул,” – зізнається Лі. Він також зазначає, що процес формування виявився менш організованим, ніж описується в підручниках.– це найпоширеніший біополімер на нашій планеті. “Біополімер” означає “великі молекули, які природним чином виробляються живими організмами”. Целюлоза є основним структурним компонентом клітинних стінок рослин.

Практичне значення відкриття

Результати дослідження мають широке практичне застосування. Вони можуть сприяти створенню більш стійких сільськогосподарських культур. Це відкриває шлях до збільшення виробництва продуктів харчування. Відкриття також може призвести до отримання дешевшого біопалива.

“Це відкриття відкриває перед дослідниками двері до вивчення генів, які можуть відігравати різну роль у біосинтезі целюлози в рослині,” – коментує Ерік Лам. Він є почесним професором кафедри біології рослин Ратгерського університету.

Промислове застосування целюлози надзвичайно широке. Вона використовується для виготовлення паперу та одягу. Целюлоза важлива для процесів фільтрації. Вона також служить загущувачем у харчових продуктах, таких як йогурт та морозиво.

Нові знання про формування целюлози можуть мати екологічне значення. Вони допоможуть розробити кращі рослини для уловлювання вуглецю. Такі рослини матимуть підвищену стійкість до різних стресів. Також вони оптимізують виробництво біопалива.

Технологічні інновації для досягнення мети

Для отримання чітких зображень процесу команда використала передові технології. Звичайні лабораторні мікроскопи давали лише розмиті зображення. Дослідники застосували метод флуоресцентної мікроскопії з повним внутрішнім відбиттям.

Цей підхід дозволив знімати відео протягом доби. При цьому клітини не руйнувалися і не відбілювалися. Зйомка охоплювала лише нижню поверхню клітин. Санг-Хюк Лі спеціально розробив мікроскоп для цього проєкту.

Ще одним проривом стало маркування целюлозних фібрил. Шишир Чундават, доцент кафедри хімічної та біохімічної інженерії, створив метод позначення. Його команда розробила зонд на основі модифікованого бактеріального ферменту.

“Я завжди був зачарований рослинами і тим, як вони вловлюють сонячне світло через листя у відновлені форми вуглецю,” – ділиться Чундават. Для нього ця робота стала здійсненням дитячої мрії.

Команда Еріка Лама зробила вирішальний внесок у дослідження. Вони видалили клітинні стінки окремих клітин арабідопсису. Це створило “чисту дошку” для формування нових стінок. “Це забезпечило практично повну відсутність фонової целюлози,” – пояснює Лам.

Дослідження демонструє силу міждисциплінарної співпраці в науці. Воно поєднує біофізику, біоінженерію та біологію рослин. Результати мають потенціал для розробки вдосконаленого текстилю, біорозкладних пластмас. Крім того, вони можуть сприяти медичним інноваціям та покращеному біопаливу.

Наука