Растения стали менее прочными: ключ к биотопливу?
Растительная клеточная стенка — одна из ключевых особенностей, отличающих растения от животных. Для её построения необходим структурный полимер целлюлоза. Она синтезируется в полукристаллическом состоянии, что критически важно для её функции, но механизмы, контролирующие эту кристалличность, были плохо изучены.
Новое исследование международной команды учёных, включая Дэвида Эрхардта (Carnegie), раскрывает детали этого процесса и предлагает способ снизить кристалличность целлюлозы. Это является ключевым препятствием для производства биотоплива. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Методология исследования
Команда под руководством Сета ДеБолта (Университет Кентукки) сосредоточилась на комплексах, синтезирующих целлюлозу:
- Эрхардт и Крис Сомервилл (Калифорнийский университет в Беркли) разработали метод наблюдения за комплексом в живых клетках с помощью флуоресцентной метки и конфокальной микроскопии.
- Учёные провели скрининг малых молекул, чтобы найти те, что мешают построению клеточной стенки.
- Затем они искали мутантные растения, не реагирующие на эти молекулы, предполагая, что у них будут изменённые клеточные стенки.
Ключевое открытие
В результате этого процесса были обнаружены две мутации — CESA1 и CESA3 — в генах, кодирующих белки целлюлозосинтазы. Обе мутации находятся в той части белков, которая пересекает мембрану растительной клетки.
Анализ показал, что мутантные белки производят целлюлозу с нарушенной структурой:
- В норме цепи сахаров в целлюлозе образуют прочные связи, создавая полукристаллическое волокно. Это придаёт целлюлозе жёсткость, прочность на разрыв и устойчивость к перевариванию.
- У мутантов целлюлоза имела более низкую кристалличность и, как следствие, легче переваривалась.
Значение для биотоплива
Способность легко расщеплять целлюлозу до сахаров — ключевой этап для их последующего преобразования в жидкое топливо. Таким образом, мутации CESA1 и CESA3 открывают путь к созданию сельскохозяйственных культур с целлюлозой, более пригодной для производства биотоплива.
«Команда установила связь между структурой белков, производящих целлюлозу, и структурой их продукта, — сказал Дэвид Эрхардт. — Это первый шаг к пониманию того, как регулируется это важное свойство целлюлозы, открывающий возможности для разработки полезных биоматериалов и культур для целлюлозного биотоплива».