Wetenschappers hebben een baanbrekende ontdekking gedaan over de manier waarop planten cellulose produceren, het belangrijkste onderdeel van hun celwanden dat voor kracht en structuur zorgt. Dit nieuwe inzicht zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe biobrandstoffen en andere duurzame materialen.

Cellulose is een complex suikermolecuul dat door planten wordt gesynthetiseerd via een proces dat cellulosebiosynthese wordt genoemd. Dit proces omvat de assemblage van individuele glucosemoleculen in lange ketens, die vervolgens worden samengebundeld om cellulosemicrofibrillen te vormen. Deze microfibrillen zijn op een specifieke manier gerangschikt om de sterke, stijve structuur van plantencelwanden te creëren.

Al tientallen jaren proberen wetenschappers de precieze mechanismen achter de biosynthese van cellulose te begrijpen. De complexiteit van het proces en het gebrek aan geschikte instrumenten hebben echter de vooruitgang belemmerd. Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van York een combinatie van geavanceerde beeldvormingstechnieken en computationele modellering gebruikt om de moleculaire details van de biosynthese van cellulose te onthullen.

De onderzoekers ontdekten dat de biosynthese van cellulose wordt georkestreerd door een complex van eiwitten dat het cellulosesynthasecomplex (CSC) wordt genoemd. Dit complex bevindt zich op het oppervlak van plantencelmembranen en bestaat uit meerdere subeenheden die samenwerken om glucosemoleculen samen te stellen tot celluloseketens.

Met behulp van cryo-elektronenmicroscopie konden de onderzoekers beelden met hoge resolutie van de CSC in actie vastleggen. Ze merkten op dat de CSC een specifieke architectuur heeft die het mogelijk maakt om de synthese van celluloseketens en hun rangschikking in microfibrillen nauwkeurig te controleren.

Bovendien ontwikkelden de onderzoekers rekenmodellen om de dynamiek van de CSC te simuleren. Deze modellen gaven inzicht in de moleculaire interacties en conformationele veranderingen die optreden tijdens de biosynthese van cellulose.

De combinatie van experimentele gegevens en computationele modellering stelde de onderzoekers in staat een gedetailleerd mechanisme voor de biosynthese van cellulose voor te stellen. Dit mechanisme verklaart hoe de CSC celluloseketens synthetiseert en deze in microfibrillen organiseert, wat uiteindelijk leidt tot de vorming van sterke en stijve plantencelwanden.

Deze ontdekking verdiept niet alleen ons begrip van de plantenbiologie, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van duurzame materialen en biobrandstoffen. Door de CSC of de biosyntheseroute van cellulose te manipuleren, kunnen wetenschappers planten zo manipuleren dat ze cellulose produceren met specifieke eigenschappen, zoals verhoogde sterkte of biologische afbreekbaarheid. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe biogebaseerde materialen voor de verpakkings-, bouw- en andere industrieën, evenals tot verbeterde biobrandstoffen die efficiënter en milieuvriendelijker zijn.

Over het geheel genomen biedt dit baanbrekende onderzoek een alomvattend beeld van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de biosynthese van cellulose in planten, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor toekomstige innovaties op het gebied van duurzame materialen en bio-energie.