Ledetråden er i limen:Undersøgelse viser, hvordan planter holder det sammen under vækst

Planter har ikke knogler, der holder dem oppe, som mennesker gør. I stedet har de cellevægge, der er hårde nok til at forhindre planterne i at bøje sig. Disse tykke vægge er lavet af et sukkerbaseret materiale kaldet cellulose. Forskere har nu en vis indsigt i, hvordan dette materiale dannes, og hvilken rolle et andet kemikalie kaldet hemicellulose spiller i limningsprocessen. Nøglen er, hvordan plantemolekyler kommer fra punkt A til punkt B i en plante.

"Hvordan cellulosen bliver transporteret og derefter samlet i cellevæggen er et hellig gralproblem i plantebiologi," sagde Loren Hough, programleder for programmet Biologiske systemer og syntetisk biologi i DOE's Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. "Denne undersøgelse afslører, hvordan byggestenene til cellulose samles i det endelige produkt i plantens cellevæg."

Cellulose er en lang kæde, der består af mindre molekyler kaldet glucose. Et af de store mysterier er, hvorfor cellulose bliver samlet i en så stiv form i planten.

Cellulose produceres i et specialiseret samlebånd inde i planteceller kaldet cellulosesyntasekomplekset. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature har forskere i Kina, ledet af Jiayang Li fra det kinesiske videnskabsakademi, set nøje på samlebåndet med kryo-elektronmikroskopi. Instrumentet gør det muligt for forskere at undersøge proteiner, som cellulosesyntaserne, når de fryses i aktion, og afsløre detaljer om, hvordan proteiner udfører specifikke opgaver.

Forskerne skabte cellulosesyntase-enzymkomplekser, som de kunne studere med denne kryo-elektronmikroskopteknik. De var derefter i stand til at rekonstruere en detaljeret model, der viser proteinkomplekserne involveret i syntesen af ​​cellulose.

Forskerne fandt ud af, at hemicellulose fungerer som en lim, der styrer celluloseproduktionen inden for planters cellevægge. Undersøgelsen afslørede, hvordan limene samles for at skabe en stærk matrix af cellulosekæder.

"Forskerne var faktisk i stand til at se hemicelluloserne interagere med et transmembrant cellulosesyntasekompleks, da det faktisk syntetiserer cellulosekæder," sagde Hough.

Forståelse af denne plantevækstmekanisme kan føre til udviklingen af ​​nye planter, der producerer flere og stærkere cellulosefibre. Dette forbedrede materiale kunne bruges til at fremstille biobrændstoffer, papir, tekstiler og andre produkter.

"Cellulose er en af ​​de vigtigste vedvarende ressourcer på planeten," sagde Michael Himmel, direktør for BioEnergy Science Center (BESC), et DOE Bioenergy Research Center (BRC). "Dette studie er et gennembrud i vores forståelse af celluloseproduktion i planter. Det er spændende at tænke over mulighederne for at udnytte denne vitale ressource i biobrændstoffer og andre energirelaterede anvendelser.”

Undersøgelsen bidrager også til det DOE-finansierede Agile BioFoundry-projekt. Agile BioFoundry fremmer grænserne for syntetisk biologi ved at udvikle et "agilt støberi", der er i stand til at designe, lave og teste nye genetiske kredsløb og hele celler fra bunden. Værket offentliggjort i Nature er et glimrende eksempel på agile støberier i aktion.

"Denne forskning viser, hvordan fundamentale opdagelser relateret til plantebiologi kan fremskyndes af Agile BioFoundry's open-access syntetisk biologi platform," sagde Chris Voigt, Agile BioFoundry direktør og professor i biomedicinsk teknik ved Massachusetts Institute of Technology.