Исследователи из Университета Рутгерса в Нью-Брансуике совершили прорыв в области биологии растений, впервые за всю историю науки непрерывно наблюдая и фиксируя процесс синтеза целлюлозы и формирования клеточных стенок в живых растительных клетках на протяжении 24 часов. Это достижение, опубликованное в журнале Science Advances, стало первой прямой визуализацией данного процесса с момента первого микроскопического наблюдения клеточных стенок Робертом Гуком в 1667 году.
Исследование стало результатом уникального сотрудничества трёх лабораторий Университета Рутгерса из разных дисциплин: Школы искусств и наук, Инженерной школы и Школы экологических и биологических наук. Ключевыми исследователями выступили Сан-Хюк Ли, доцент кафедры физики и астрономии, Эрик Лам, заслуженный профессор кафедры биологии растений, и Шишир Чундават, доцент кафедры химической и биохимической инженерии. Значительный вклад в работу также внесли постдокторант Хён Хух из Института количественной биомедицины, аспирант Дхаранидаран Джаячандран, постдокторант Мохаммад Ирфан с кафедры химической и биохимической инженерии и лаборант Джунхонг Сун с кафедры биологии растений.
Для наблюдения за процессом учёные применили передовую технологию — микроскопию полного внутреннего отражения флуоресценции. Этот метод позволил им фиксировать изображения только нижней поверхности клеток в течение суток без их повреждения. В качестве объекта исследования использовались протопласты — клетки с удалёнными стенками — арабидопсиса, цветкового растения, родственного капусте. Исследователи пометили появляющиеся целлюлозные волокна флуоресцентным белковым красителем. Удаление клеточных стенок создало своеобразный «чистый лист», что значительно улучшило визуализацию процесса.
Полученные видеозаписи показали, что протопласты хаотично выпускают нити целлюлозных волокон, которые постепенно самоорганизуются в сложную сеть на внешней поверхности клетки. Исследователи отметили, что процесс оказался гораздо более хаотичным, чем организованным, что противоречит классическим изображениям в учебниках по биологии. Наблюдения раскрыли, как диффузия и самоорганизация приводят к формированию сложных целлюлозных сетей.
«Мы смогли увидеть, как растительные клетки восстанавливают свои клеточные стенки, что раньше было невозможно наблюдать в живых клетках с таким разрешением», — отметил Сан-Хюк Ли. «Это открытие позволяет нам лучше понять фундаментальные процессы, лежащие в основе роста и развития растений».
Эрик Лам подчеркнул значимость исследования: «Теперь мы можем изучать гены, участвующие в биосинтезе целлюлозы, в реальном времени и наблюдать, как изменения в этих генах влияют на формирование клеточных стенок. Это открывает совершенно новые возможности для улучшения сельскохозяйственных культур».
Это открытие имеет огромное значение и множество потенциальных применений. Оно может привести к разработке более устойчивых растений для увеличения производства продуктов питания и способствовать снижению стоимости производства биотоплива. Полученные знания могут быть использованы для создания улучшенных текстильных материалов, биоразлагаемых пластиков и новых медицинских продуктов на растительной основе.
Шишир Чундават отметил, что исследование открывает путь к проектированию лучших растений для улавливания углерода, повышения устойчивости к экологическим стрессам, таким как засуха и болезни, а также для оптимизации производства целлюлозного биотоплива второго поколения.
Целлюлоза, являющаяся основным структурным компонентом клеточных стенок растений, представляет собой наиболее распространённый биополимер на Земле. Она широко используется в промышленности для производства бумаги, одежды и фильтров, а также применяется в качестве загустителя в пищевых продуктах, таких как йогурт и мороженое. Новое понимание процесса формирования целлюлозы может революционизировать многие отрасли, зависящие от этого важнейшего природного материала.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследование стало результатом уникального сотрудничества трёх лабораторий Университета Рутгерса из разных дисциплин: Школы искусств и наук, Инженерной школы и Школы экологических и биологических наук. Ключевыми исследователями выступили Сан-Хюк Ли, доцент кафедры физики и астрономии, Эрик Лам, заслуженный профессор кафедры биологии растений, и Шишир Чундават, доцент кафедры химической и биохимической инженерии. Значительный вклад в работу также внесли постдокторант Хён Хух из Института количественной биомедицины, аспирант Дхаранидаран Джаячандран, постдокторант Мохаммад Ирфан с кафедры химической и биохимической инженерии и лаборант Джунхонг Сун с кафедры биологии растений.
Для наблюдения за процессом учёные применили передовую технологию — микроскопию полного внутреннего отражения флуоресценции. Этот метод позволил им фиксировать изображения только нижней поверхности клеток в течение суток без их повреждения. В качестве объекта исследования использовались протопласты — клетки с удалёнными стенками — арабидопсиса, цветкового растения, родственного капусте. Исследователи пометили появляющиеся целлюлозные волокна флуоресцентным белковым красителем. Удаление клеточных стенок создало своеобразный «чистый лист», что значительно улучшило визуализацию процесса.
Полученные видеозаписи показали, что протопласты хаотично выпускают нити целлюлозных волокон, которые постепенно самоорганизуются в сложную сеть на внешней поверхности клетки. Исследователи отметили, что процесс оказался гораздо более хаотичным, чем организованным, что противоречит классическим изображениям в учебниках по биологии. Наблюдения раскрыли, как диффузия и самоорганизация приводят к формированию сложных целлюлозных сетей.
«Мы смогли увидеть, как растительные клетки восстанавливают свои клеточные стенки, что раньше было невозможно наблюдать в живых клетках с таким разрешением», — отметил Сан-Хюк Ли. «Это открытие позволяет нам лучше понять фундаментальные процессы, лежащие в основе роста и развития растений».
Эрик Лам подчеркнул значимость исследования: «Теперь мы можем изучать гены, участвующие в биосинтезе целлюлозы, в реальном времени и наблюдать, как изменения в этих генах влияют на формирование клеточных стенок. Это открывает совершенно новые возможности для улучшения сельскохозяйственных культур».
Это открытие имеет огромное значение и множество потенциальных применений. Оно может привести к разработке более устойчивых растений для увеличения производства продуктов питания и способствовать снижению стоимости производства биотоплива. Полученные знания могут быть использованы для создания улучшенных текстильных материалов, биоразлагаемых пластиков и новых медицинских продуктов на растительной основе.
Шишир Чундават отметил, что исследование открывает путь к проектированию лучших растений для улавливания углерода, повышения устойчивости к экологическим стрессам, таким как засуха и болезни, а также для оптимизации производства целлюлозного биотоплива второго поколения.
Целлюлоза, являющаяся основным структурным компонентом клеточных стенок растений, представляет собой наиболее распространённый биополимер на Земле. Она широко используется в промышленности для производства бумаги, одежды и фильтров, а также применяется в качестве загустителя в пищевых продуктах, таких как йогурт и мороженое. Новое понимание процесса формирования целлюлозы может революционизировать многие отрасли, зависящие от этого важнейшего природного материала.
