Прорыв в понимании синтеза целлюлозы
Целлюлоза — волокнистая молекула, составляющая клеточные стенки растений, придающая им форму и являющаяся целью исследований в области возобновляемых биотоплив. Однако механизмы её формирования и, следовательно, возможности модификации для создания энергоёмких культур изучены недостаточно. Новое исследование под руководством учёных из Департамента биологии растений Института Карнеги показало, что лежащая в основе белковая сеть, обеспечивающая каркас для структуры клеточной стенки, также управляет доставкой критически важных молекул, способствующих росту, в нужные места.
Исследование, проведённое в сотрудничестве с коллегами из Вагенингенского университета (Нидерланды) и опубликованное в онлайн-версии Nature Cell Biology 14 июня, является важным шагом в понимании того, как ферменты, создающие целлюлозу и определяющие форму растительной клетки, попадают в нужное место внутри клетки для выполнения своей работы.
«Целлюлоза — самый большой в мире резервуар возобновляемых углеводородов», — отметил соавтор работы Дэвид Эрхардт из Института Карнеги. — «Чтобы понять, как можно модифицировать целлюлозу и манипулировать развитием растений для улучшения сельскохозяйственных культур как эффективных источников энергии, нам нужно сначала понять клеточные процессы, которые создают целлюлозу и строят клеточные стенки».
Растительные клетки имеют жёсткие стенки, форму которых сложно изменить. Существует множество типов клеток, например, колючие трихомы для защиты от насекомых и клетки-замыкающие устьиц, регулирующие «дыхательные» поры растения. В предыдущем исследовании на модельном растении Arabidopsis Эрхардт и его команда использовали передовые методы визуализации, чтобы наблюдать за молекулами, создающими это разнообразие форм. Это дало первые прямые доказательства функциональной связи между синтезом клеточной стенки и массивом белковых волокон — микротрубочек, — которые обеспечивают каркас, позволяющий создавать разнообразные формы растительных клеток по мере роста клеточной стенки.
В той работе группа создала растения, производящие флуоресцентную версию целлюлозосинтазы — фермента, создающего целлюлозные волокна. Они также добавили флуоресцентную версию тубулина, белка, из которого строятся микротрубочки. Используя передовые методы визуализации, они отследили движение отдельных флуоресцентных молекул и обнаружили, что целлюлозосинтаза движется по «дорожкам», определяемым микротрубочками.
В новой работе исследователи изучили, как начинается ассоциация между комплексами целлюлозосинтазы и микротрубочками. Учёные смогли наблюдать за отдельными комплексами целлюлозосинтазы в момент их доставки к плазматической мембране — проницаемой плёнке, окружающей клетку, но находящейся внутри клеточной стенки. Они обнаружили, что микротрубочки не только направляют движение комплексов при построении клеточной стенки, но и организуют транспорт и доставку комплексов целлюлозосинтазы к месту их действия.
Также они изучили роль в транспорте структурного элемента — актинового цитоскелета, который помогает перемещать органеллы и поддерживать форму клетки. Выяснилось, что он, по-видимому, необходим для общего распределения комплексов целлюлозосинтазы, тогда как микротрубочки требуются для их окончательного позиционирования.
При нарушении работы комплексов из-за стрессового фактора, такого как быстрое изменение движения воды (осмотический стресс), активные комплексы целлюлозосинтазы исчезают, а органеллы накапливаются прямо под плазматической мембраной. Эти органеллы содержат целлюлозосинтазу и прикреплены к микротрубочкам с помощью нового механизма. Ранее Эрхардт и его команда обнаружили, что растительные микротрубочки движутся, укорачиваясь с одного конца и удлиняясь с другого. Они делают это по одной молекуле тубулина за раз в процессе, который исследователи называют «беговой дорожкой» (treadmilling). Теперь они полагают, что открытое в этом исследовании прикрепление позволяет органеллам, содержащим целлюлозосинтазу, оставаться с движущимися по принципу «беговой дорожки» микротрубочками в течение длительного времени в условиях стресса. Они обнаружили, что когда стресс ослабевает, эти органеллы доставляют целлюлозосинтазу к мембране.