植物的纖維素是它們的承重結(jié)構(gòu)，就像建筑工人如何建造房屋，弗吉尼亞大學(xué)（UVA）醫(yī)學(xué)院的一項(xiàng)新研究揭示了植物如何制造纖維素。

這項(xiàng)由美國能源部資助的研究揭示了植物用來將纖維素鏈編織成被稱為“微纖維”的電纜狀結(jié)構(gòu)的分子機(jī)制。這些微纖維為陸地植物的細(xì)胞壁提供了重要的支撐，并使它們在細(xì)胞內(nèi)施加壓力。這種壓力使植物向天空生長。

UVA分子生理學(xué)和生物物理系研究員Jochen Zimmer說：“纖維素是最豐富的天然聚合物，它的組成部分葡萄糖是光合作用的直接產(chǎn)物，能從大氣中捕獲二氧化碳。從分子水平上理解纖維素是如何產(chǎn)生的，這使我們能夠調(diào)整其生物合成，以改變纖維素的物理性質(zhì)，優(yōu)化碳吸收或提取儲(chǔ)存的能量來為人造過程提供燃料�！�

構(gòu)建纖維素

纖維素是一種堅(jiān)韌的物質(zhì)，從一開始就伴隨并塑造了人類的進(jìn)化。它被用于制造建筑材料、衣服、紙張、食品添加劑甚至醫(yī)療工具。這種聚合物不溶于水，微生物很難將其分解。這些只是纖維素獨(dú)特材料特性的幾個(gè)例子。

Zimmer和他的同事們已經(jīng)闡明了植物是如何產(chǎn)生這種基本物質(zhì)的。科學(xué)家們已經(jīng)知道纖維素是由葡萄糖（一種簡單的糖）的分子鏈在一起組成的，但是新的研究揭示了植物用來做這件事的分子機(jī)制。從本質(zhì)上講，科學(xué)家們已經(jīng)繪制出了植物用來制造纖維素并將其運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞表面的工廠藍(lán)圖。這些工廠被稱為纖維素合成酶復(fù)合物，它們位于細(xì)胞膜內(nèi)，物質(zhì)運(yùn)輸需要通過細(xì)胞邊界。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這些工廠生產(chǎn)三種纖維素鏈，其中部分位于細(xì)胞內(nèi)。它們還通過穿過細(xì)胞邊界的通道將聚合物運(yùn)送到細(xì)胞表面。這些通道將纖維素鏈釋放到一個(gè)出口點(diǎn)，將它們排列成細(xì)纖維“原纖維”。原纖維像牙膏一樣從管子里擠出來，形成一條細(xì)絲。然后，它們與許多其他的細(xì)胞組裝成微纖維，在細(xì)胞壁上發(fā)揮它們的基本功能。

纖維素原纖維和微纖維只有幾納米厚。但他們的力量在于它們的個(gè)數(shù)。植物制造一條又一條的微纖維來支持它們的細(xì)胞。組裝時(shí)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固。

纖維素工廠太小了，用傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡是看不見的。為了繪制出它們，Zimmer和他的同事利用了UVA的泰坦克里奧斯電子顯微鏡的威力。這是一臺(tái)非常敏感的機(jī)器以至于它埋在地下深處，包裹在數(shù)噸混凝土中，以避免哪怕是最輕微的震動(dòng)。它使科學(xué)家們能夠揭示一個(gè)以前人類看不見的迷人的分子世界。

在這種情況下，它讓研究小組第一次看到了世界上最豐富的生物聚合物的生產(chǎn)和組裝。

“我們已經(jīng)面臨著迅速變化的環(huán)境條件，這些環(huán)境條件影響著世界各地的農(nóng)業(yè)和糧食安全，“Zimmer 說�！霸谖磥�，了解植物如何在分子水平上運(yùn)行，對人類健康將越來越重要，”現(xiàn)在投資植物科學(xué)比以往任何時(shí)候都重要。