Клеточные стенки растений, состоящие из крошечных нитей, известных как микрофибриллы целлюлозы, играют важную роль в регулировании роста и защите их от вредителей и патогенных микроорганизмов. Ранее был известен только один агент для их выработки: класс растительных ферментов под названием CESA (Cellulose Synthase). Исследование, проведенное профессором биологии Университета Род-Айленда Элисон Робертс и ее коллегами, показало, что растения также производят микрофибриллы целлюлозы, используя семь различных классов ферментов, называемых CSLD (Cellulose Synthase like D). Это важное открытие, которое может иметь практическое значение во многих хозяйственных сферах, от текстильной промышленности до возобновляемой энергетики.
В сотрудничестве с коллегами из колледжей Род-Айленд и Дартмут, Университета штата Северная Каролина, Кембриджского и Уорикского университетов в Великобритании Элисон Робертс недавно опубликовала в журнале Science Advances статью «Альтернативный путь биосинтеза микрофибрилл целлюлозы в растениях».
«Мы все ежедневно используем целлюлозу как основной компонент бумаги, древесины и многих текстильных изделий. Расширение базы знаний о том, как она возникает, может принести большую практическую пользу», — уверена Робертс. «Ферменты CSLD и микрофибриллы, которые они вырабатывают, также необходимы для развития пыльцевых трубок и роста корневых волосков растений. Пыльцевые трубки нужны для размножения, а корневые волоски поглощают воду и минералы из почвы, что не только питает организм, но и влияет на способность растения справляться со стрессом, который может возникнуть от недостатка освещения, засухи, заморозков и других неблагоприятных факторов».
«Знание структуры целлюлозы и клеточных стенок в целом важно для понимания того, как развиваются растения и для того, чтобы иметь возможность модифицировать сельскохозяйственные культуры для повышения устойчивости к воздействию окружающей среды. Это особенно важно на фоне изменении климата», — говорит Робертс.
Чтобы непосредственно исследовать ферменты CSLD, исследователям пришлось удалить из растения все элементы CESA. Ученые не были уверены в успехе, поскольку считалось, что большинство представителей флоры без них погибнет. Но в процессе работы с раскидистым мхом Physcomitrella patens, который англоязычные биологи любовно называют Physco, было сделано неожиданное открытие: мху оказались не так уж и нужны эти энзимы. Это позволило команде изучать CSLD в формате «идеального эксперимента».
Хотя достаточно давно известно, что такие ферменты участвуют в процессе роста определенных типов клеток, широко распространено мнение, что целлюлоза, получаемая с их помощью, будет иметь структуру, отличную от микрофибрилл целлюлозы, получаемых с помощью CESA. Последние образуют крошечные структуры, получившие название «розетки» из-за их сходства с цветами с шестью лепестками. Размер и форма розеток определяют структуру и свойства элементов, которые они образуют.
После того, как из мха Physco были удалены CESA, произошло неожиданное: фибриллы как ни в чем не бывало формировались из розеток и формировали целлюлозные микроволокна того же вида, что и те, что получаются с помощью CESA. Открытие удивило ученых, заговоривших о возможной генетической ошибке. Обычно эволюция работает следующим образом: когда ген дублируется, но части кодируют один и тот же белок, один из них обычно меняет роль или просто отсеивается естественным отбором. В данном случае два класса ферментов-близнецов, которые делают практически одно и то же, благополучно сосуществуют уже более 500 миллионов лет.
Специалисты все-таки обнаружили несколько свидетельств того, как могут различаться между собой энзимы CSLD и CESA. «В исследовании, которое мы завершили год назад с коллегами из Дартмутского колледжа, мы обнаружили, что они не похожи по способу их перемещения через клеточную мембрану и по тому, как это движение контролируется» — поясняет Робертс. «В дальнейшем мы хотим изучить, как различные способы перемещения розеток, сформированных CESA и CSLD, способствуют развитию различных типов растительных клеток, включая клетки пыльцевых трубок и корневых волосков, которые по умолчанию используют ферменты CSLD для производства целлюлозы».
Робертс отмечает, что исследование подчеркивает ценность междисциплинарного сотрудничества и эволюционирующий характер научных знаний. Сотрудничество ученых из разных университетов и стран важно не только для внедрения альтернативных экспериментальных подходов, но и для привлечения свежих идей», — говорит Робертс. «В данном случае мы видим, что два белка похожи, хотя это противоречит правилам эволюции. Мы хотим понять, чем они все-таки отличаются. Ученые из разных научных школ высказывают различные точки зрения и отстаивают их в ходе экспериментов. Такой конкурентный подход позволяет быстрее найти правильный ответ».
Мох Physcomitrella patens — один из модельных организмов с полностью расшифрованным геномом. Наряду с мухой-дрозофилой и резуховидкой Таля его широко применяют в экспериментах в области микробиологии и генной инженерии.
