Впервые за более чем 350 лет после открытия клеточных стенок Робертом Гуком в 1667 году исследователям из Ратгерского университета (США) удалось запечатлеть в реальном времени процесс синтеза целлюлозы и формирования клеточных стенок у живых растительных клеток. Это прорывное открытие раскрывает динамику ключевого этапа жизни растений и открывает путь к созданию более выносливых сельскохозяйственных культур, дешёвого биотоплива, а также новых материалов — от биоразлагаемого пластика до медицинских продуктов.

Эксперимент, занявший более шести лет и объединивший три лаборатории, показал, как протопласты (клетки с удалёнными стенками) растения Arabidopsis, родственника капусты, хаотично формируют целлюлозные волокна, которые постепенно самоорганизуются в плотную сеть на поверхности клетки. Уникальные кадры, полученные с помощью усовершенствованной микроскопии, опровергли классические представления о строго упорядоченном процессе, описанном в учебниках.

Покадровая видеозапись, показывающая, как клетки Arabidopsis генерируют целлюлозные фибриллы. Источник: Lee Lab / Rutgers University

«Я был поражён, наблюдая, как из хаотичного движения молекул возникают упорядоченные структуры, — признался Сан-Хёк Ли, доцент кафедры, соавтор исследования. — Это полностью меняет наше понимание клеточной биологии».

Целлюлоза — самый распространённый биополимер на Земле, составляющий основу клеточных стенок растений. Её промышленное применение охватывает производство бумаги, текстиля, фильтров и пищевых загустителей. Однако до сих пор учёные не могли детально изучить процесс её синтеза из-за ограничений микроскопии: традиционные методы давали размытые изображения и разрушали клетки при длительной съёмке.

Для решения проблемы команда использовала метод микроскопии полного внутреннего отражения с флуоресцентной визуализацией. Сан-Хёк Ли разработал специализированный микроскоп, способный непрерывно снимать процесс на протяжении 24 часов без повреждения клеток. Биоинженер Шишир Чундават создал флуоресцентный зонд на основе модифицированного бактериального фермента, который избирательно связывается с целлюлозой, подсвечивая её волокна. Эрик Лам, эксперт по генетике растений, обеспечил «чистый старт» эксперимента, удалив исходные клеточные стенки у Arabidopsis, чтобы наблюдать формирование новых структур в контролируемых условиях.

Теперь мы можем изучать гены, отвечающие за синтез целлюлозы, и проектировать растения с улучшенными свойствами — от устойчивости к засухе до эффективного поглощения углерода

отметил Лам

Открытие также имеет значение для биоэнергетики. Чундават, вдохновлённый в детстве разнообразием растений, планирует использовать полученные данные для разработки методов производства биотоплива из наземных растений и морских водорослей. «Понимание фундаментальных механизмов позволит создавать более эффективные и экологичные решения», — добавил он.

Этот прорыв не только углубляет фундаментальные знания о жизни растений, но и создаёт основу для инноваций в сельском хозяйстве, энергетике и материаловедении. Как отметили учёные, следующий шаг — изучение генетических и физических факторов, управляющих самоорганизацией целлюлозы, что приблизит эру «программируемых» растений с заданными свойствами.

Подробнее на iXBT