In a groundbreaking study on the synthesis of cellulose — a major constituent of all plant cell walls — a team of Rutgers University-New Brunswick researchers has captured images of the microscopic process of cell-wall building continuously over 24 hours with living plant cells, providing critical insights that may lead to the development of more robust plants for increased food and lower-cost biofuels production.
The Discovery, pubblicato sulla rivista Progressi scientificirivela un processo dinamico mai visto prima e può fornire applicazioni pratiche per i prodotti quotidiani derivati da piante tra cui tessuti migliorati, biocarburanti, materie plastiche biodegradabili e nuovi prodotti medici. Si prevede inoltre che la ricerca contribuirà alla conoscenza fondamentale – fornendo al contempo una nuova comprensione – della formazione di pareti cellulari, hanno affermato gli scienziati.
Rappresenta oltre sei anni di sforzi e collaborazione tra tre laboratori di discipline accademiche diverse ma complementari di Rutgers: la School of Arts and Sciences, la School of Engineering e la School of Environmental and Biological Sciences.
“Questo lavoro è la prima visualizzazione diretta di come la cellulosa si sintetizza e si autoassembla in una densa rete di fibrilla su una superficie cellulare vegetale, poiché la prima osservazione microscopica di Robert Hook delle pareti cellulari nel 1667”, ha affermato Sang-Hyuk Lee, professore associato nel Dipartimento di Fisica e Autore dello studio. “Questo studio fornisce anche intuizioni completamente nuove su come semplici meccanismi fisici di base come la diffusione e l’auto-organizzazione possono portare alla formazione di reti di cellulosa complesse nelle cellule.”
Le immagini video generate dal microscopio mostrano protoplasti-cellule con le pareti rimosse-del cugino di cavolo, la pianta fiorita Arabidopsis, che spuntano caoticamente filamenti di fibre di cellulosa che si auto-assemblano gradualmente in una rete complessa sulla superficie delle cellule esterne.
“Sono stato molto sorpreso dall’emergere di strutture ordinate dalla danza caotica delle molecole quando ho visto per la prima volta queste immagini video”, ha detto Lee, che è anche membro della facoltà dell’Institute for quantitativo biomedicina. “Pensavo che la cellulosa vegetale sarebbe stata realizzata in modo molto più organizzato, come illustrato nei libri di testo di biologia classica.”
La cellulosa è il biopolimero più abbondante – grandi molecole prodotte naturalmente dagli organismi viventi – sulla terra. Un carboidrato che è il componente strutturale primario delle pareti cellulari vegetali, la cellulosa è ampiamente utilizzata nell’industria per creare una vasta gamma di prodotti, tra cui carta e abbigliamento. Viene anche usato nella filtrazione, intrappolando le particelle di grandi dimensioni in modo più efficace e migliorando il flusso e come agente ispessimento negli alimenti come yogurt e gelato.
“Questa scoperta apre le porte ai ricercatori per iniziare a sezionare i geni che potrebbero svolgere vari ruoli per la biosintesi della cellulosa nella pianta”, ha affermato Eric Lam, illustre professore nel Dipartimento di Biologia delle piante nella Rutgers School of Environmental and Biological Sciences e un autore nello studio. “Le conoscenze acquisite da questi studi futuri forniranno nuovi indizi per gli approcci alla progettazione di piante migliori per la cattura del carbonio, migliorano la tolleranza a tutti i tipi di stress ambientali, dalla siccità alle malattie e ottimizzano la produzione di biocarburanti cellulosici di seconda generazione.”
Il lavoro è il culmine di un sogno d’infanzia per Shishir Chundawat, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria chimica e biochimica presso la Rutgers School of Engineering e un autore nello studio.
“Sono sempre stato affascinato dalle piante e dal modo in cui catturano la luce solare attraverso le foglie in forme di carbonio ridotte come la cellulosa che formano pareti cellulari”, ha detto Chundawat, che prevede di esplorare nuovi modi per produrre nuovi biocarburanti e biochemici sostenibili da diverse materie prime come piante terrestri e alghe marine. “Ricordo di nuovo alle scuole medie quando avevo raccolto molte foglie di diverse forme, dimensioni e colori per un rapporto di classe scientifica, ed essendo molto curioso di sapere come le piante producono tutta questa miriade di complessità e diversità in natura. Sono stato ispirato da quell’esperienza ad approfondire i fenomeni fondamentali della produzione di biomassa e del suo utilizzo usando ingegneria sostenibile per produrre bioprodotti preziosi.
Gli scienziati di ciascuno dei tre team di ricerca hanno dato contributi unici e critici.
Quando i microscopi di laboratorio convenzionali non lo farebbero, fornendo al meglio immagini sfocate del processo di costruzione della parete cellulare, il team si è trasformato in una super-risoluzione avanzata e una tecnica minimamente invasiva chiamata microscopia a fluorescenza di riflessione interna totale. L’approccio, che ha catturato le immagini solo della superficie inferiore delle cellule, è stato abbastanza sensibile da prendere video per 24 ore senza sbiancare e distruggere le cellule.
Lee, un biofisico ed esperto nell’uso di tecniche di microscopia all’avanguardia per studiare i sistemi di vita, ha sviluppato un microscopio personalizzato per il progetto e ha supervisionato gli sforzi di imaging.
Chundawat ha guidato un team che ha aperto la strada a una tecnica permettendo agli scienziati di taggare i viticci di cellulosa emergenti con colorante proteico fluorescente.
Chundawat è un bioingegnere ed esperto di ingegneria proteica e glicoscienze, lo studio di carboidrati complessi come la cellulosa. Per rendere le cellule fluorescenti e rilevabili dal microscopio, lui e il suo team hanno sviluppato una sonda derivata da un enzima batterico ingegnerizzato che si lega specificamente alla cellulosa.
Lam, un esperto di genetica vegetale e biotecnologia, e il suo team ha trovato il modo di rimuovere la parete cellulare delle singole cellule di Arabidopsis per creare una “lista vuota” per le nuove pareti cellulari da stabilire dalle cellule protoplasti.
“Ciò ha fornito cellulosa di fondo poca o nessuna per confondere la nostra visualizzazione e il monitoraggio della cellulosa appena sintetizzata in condizioni ottimizzate”, ha affermato Lam.
Altri scienziati di Rutgers nello studio includevano: Hyun Huh, scienziato post -dottorato dell’Istituto per la biomedicina quantitativa; Dharanidaran Jayachandran, uno studente di dottorato, e Mohammad Irfan, uno scienziato post -dottorato nel Dipartimento di ingegneria chimica e biochimica; e Junhong Sun, un tecnico di laboratorio nel Dipartimento di Biologia delle piante.
Sono disponibili animazioni per giovani studenti ispirati a saperne di più sulle piante, tuttavia lo studio Rutgers mostra che il processo di sintesi della cellulosa e la formazione della parete cellulare è molto più complesso.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com