Planten hebben geen botten die ze overeind houden, zoals mensen dat doen. In plaats daarvan hebben ze celwanden die hard genoeg zijn om te voorkomen dat planten voorover buigen. Deze dikke wanden zijn gemaakt van een op suiker gebaseerd materiaal dat cellulose wordt genoemd. Onderzoekers hebben nu enig inzicht in hoe dit materiaal ontstaat en de rol van een andere chemische stof, hemicellulose genaamd, in het lijmproces. De sleutel is hoe plantenmoleculen van punt A naar punt B binnen een plant komen.

"Hoe de cellulose wordt getransporteerd en vervolgens in de celwand wordt geassembleerd, is een heilig graalprobleem in de plantenbiologie", zegt Loren Hough, programmamanager voor het Biological Systems &Synthetic Biology-programma bij DOE's Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. “Dit onderzoek laat zien hoe de bouwstenen voor cellulose samenkomen tot het eindproduct in de celwand van de plant.”

Cellulose is een lange keten die bestaat uit kleinere moleculen die glucose worden genoemd. Een van de grote mysteries is waarom cellulose in zo'n stijve vorm in de plant wordt samengevoegd.

Cellulose wordt geproduceerd in een gespecialiseerde assemblagelijn in plantencellen, het cellulosesynthasecomplex. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature hebben onderzoekers in China, onder leiding van Jiayang Li van de Chinese Academie van Wetenschappen, de lopende band nauwkeurig bekeken met cryo-elektronenmicroscopie. Met het instrument kunnen onderzoekers eiwitten, zoals de cellulosesynthasen, onderzoeken wanneer ze bevroren zijn, waardoor details worden onthuld over hoe eiwitten specifieke taken uitvoeren.

De onderzoekers creëerden cellulosesynthase-enzymcomplexen die ze konden bestuderen met deze cryo-elektronenmicroscooptechniek. Vervolgens konden ze een gedetailleerd model reconstrueren dat de eiwitcomplexen laat zien die betrokken zijn bij de synthese van cellulose.

De onderzoekers ontdekten dat hemicellulose werkt als een lijm die de celluloseproductie binnen de celwanden van planten begeleidt. Uit het onderzoek bleek hoe de lijmen samenkomen om een ​​sterke matrix van celluloseketens te creëren.

"De onderzoekers waren in staat om de hemicellulosen te zien interageren met een transmembraan cellulosesynthasecomplex, omdat het feitelijk celluloseketens synthetiseert", zei Hough.

Het begrijpen van dit plantengroeimechanisme zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe planten die meer en sterkere cellulosevezels produceren. Dit verbeterde materiaal zou kunnen worden gebruikt voor het maken van biobrandstoffen, papier, textiel en andere producten.

“Cellulose is een van de belangrijkste hernieuwbare hulpbronnen op aarde”, zegt Michael Himmel, directeur van het BioEnergy Science Center (BESC), een DOE Bioenergy Research Center (BRC). “Deze studie is een doorbraak in ons begrip van de celluloseproductie in planten. Het is spannend om na te denken over de mogelijkheden voor het gebruik van deze essentiële hulpbron in biobrandstoffen en andere energiegerelateerde toepassingen.”

De studie draagt ​​ook bij aan het door DOE gefinancierde Agile BioFoundry-project. De Agile BioFoundry verlegt de grenzen van de synthetische biologie door een ‘agile gieterij’ te ontwikkelen die in staat is nieuwe genetische circuits en hele cellen helemaal opnieuw te ontwerpen, maken en testen. Het werk gepubliceerd in Nature is een goed voorbeeld van agile gieterijen in actie.

“Dit onderzoek laat zien hoe fundamentele ontdekkingen met betrekking tot plantenbiologie kunnen worden versneld door het open-access synthetische biologieplatform van Agile BioFoundry”, zegt Chris Voigt, directeur van Agile BioFoundry en hoogleraar biomedische technologie aan het Massachusetts Institute of Technology.