Bilim insanları canlı bitki hücrelerinin selüloz ürettiğine ve hücre duvarı oluşturduğuna tanık oldu

Özet: Tüm bitki hücre duvarlarının ana bileşeni olan selülozun sentezi üzerine çığır açan bir çalışmada, bir ekip canlı bitki hücreleriyle 24 saat boyunca sürekli olarak hücre duvarı yapımının mikroskobik sürecinin görüntülerini yakaladı ve artan gıda ve daha düşük maliyetli biyoyakıt üretimi için daha sağlam bitkilerin geliştirilmesine yol açabilecek kritik bilgiler sağladı. Keşif, daha önce hiç görülmemiş dinamik bir süreci ortaya koyuyor ve gelişmiş tekstiller, biyoyakıtlar, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler ve yeni tıbbi ürünler de dahil olmak üzere bitkilerden elde edilen günlük ürünler için pratik uygulamalar sağlayabilir. Bilim insanları, araştırmanın hücre duvarlarının oluşumuna ilişkin temel bilgilere -yeni bir anlayış sağlarken- katkıda bulunmasının da beklendiğini söyledi.

Ayrıntılı Açıklama

Rutgers Üniversitesi-New Brunswick araştırmacılarından oluşan bir ekip, tüm bitki hücre duvarlarının ana bileşeni olan selüloz sentezi üzerine çığır açan bir çalışmada, canlı bitki hücreleriyle 24 saat boyunca sürekli olarak hücre duvarı yapımının mikroskobik sürecinin görüntülerini yakaladı ve daha fazla gıda ve daha düşük maliyetli biyoyakıt üretimi için daha sağlam bitkilerin geliştirilmesine yol açabilecek kritik bilgiler sağladı.

Science Advances dergisinde yayınlanan keşif, daha önce hiç görülmemiş dinamik bir süreci ortaya koyuyor ve gelişmiş tekstiller, biyoyakıtlar, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler ve yeni tıbbi ürünler de dahil olmak üzere bitkilerden elde edilen günlük ürünler için pratik uygulamalar sağlayabilir. Bilim insanları, araştırmanın hücre duvarlarının oluşumuna ilişkin yeni bir anlayış sağlarken temel bilgilere de katkıda bulunmasının beklendiğini söyledi.


Bu proje, Rutgers'in farklı ama birbirini tamamlayan akademik disiplinlerinden üç laboratuvarın altı yıldan fazla süren çabalarını ve işbirliğini temsil etmektedir: Sanat ve Bilim Okulu, Mühendislik Okulu ve Çevre ve Biyoloji Bilimleri Okulu.


Fizik ve Astronomi Bölümü'nde doçent olan ve çalışmanın yazarlarından Sang-Hyuk Lee, "Bu çalışma, Robert Hook'un 1667'de hücre duvarlarına ilişkin ilk mikroskobik gözleminden bu yana, selülozun bir bitki hücresi yüzeyinde yoğun bir fibril ağına nasıl sentezlendiğinin ve kendi kendine nasıl bir araya geldiğinin ilk doğrudan görselleştirilmesidir" dedi. "Bu çalışma aynı zamanda difüzyon ve kendi kendini organize etme gibi basit, temel fiziksel mekanizmaların hücrelerde karmaşık selüloz ağlarının oluşumuna nasıl yol açabileceğine dair tamamen yeni bilgiler sağlıyor."


Mikroskopla elde edilen video görüntüleri, lahananın kuzeni olan çiçekli bitki Arabidopsis'in protoplastlarını (duvarları çıkarılmış hücreler), dış hücre yüzeyinde karmaşık bir ağ halinde kademeli olarak kendiliğinden bir araya gelen selüloz liflerinin düzensiz bir şekilde filizlendiğini gösteriyor.


Aynı zamanda Kantitatif Biyotıp Enstitüsü'nde öğretim üyesi olan Lee, "Bu video görüntülerini ilk gördüğümde moleküllerin kaotik dansından düzenli yapıların ortaya çıkması beni çok şaşırttı" dedi ve ekledi: "Bitki selülozunun klasik biyoloji ders kitaplarında tasvir edildiği gibi çok daha organize bir şekilde yapılacağını düşünmüştüm."


Selüloz, yeryüzünde en bol bulunan biyopolimerdir - canlı organizmalar tarafından doğal olarak üretilen büyük moleküller. Bitki hücre duvarlarının birincil yapısal bileşeni olan bir karbonhidrat olan selüloz, endüstride kağıt ve giysi de dahil olmak üzere bir dizi ürünün yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca filtrasyonda, büyük partikülleri daha etkili bir şekilde yakalamak ve akışı arttırmak için ve yoğurt ve dondurma gibi gıdalarda kıvam arttırıcı bir madde olarak kullanılır.


Rutgers Çevre ve Biyoloji Bilimleri Fakültesi Bitki Biyolojisi Bölümü'nde Seçkin Profesör ve çalışmanın yazarlarından Eric Lam, "Bu keşif, araştırmacıların bitkide selüloz biyosentezi için çeşitli roller oynayabilecek genleri incelemeye başlamaları için kapıyı açıyor" dedi. "Gelecekte yapılacak bu çalışmalardan elde edilecek bilgiler, karbon yakalama için daha iyi bitkiler tasarlama, kuraklıktan hastalığa kadar her türlü çevresel strese karşı toleransı artırma ve ikinci nesil selülozik biyoyakıt üretimini optimize etme yaklaşımları için yeni ipuçları sağlayacaktır."


Çalışma, Rutgers Mühendislik Fakültesi Kimya ve Biyokimya Mühendisliği Bölümü'nde doçent olan ve çalışmanın yazarlarından Shishir Chundawat için bir çocukluk hayalinin doruk noktası.


Karasal bitkiler ve deniz algleri gibi çeşitli hammaddelerden yeni, sürdürülebilir biyoyakıtlar ve biyokimyasallar üretmenin yeni yollarını keşfetmeyi planlayan Chundawat, "Bitkiler ve güneş ışığını yapraklar aracılığıyla hücre duvarlarını oluşturan selüloz gibi indirgenmiş karbon formlarına nasıl yakaladıkları beni her zaman büyülemiştir" dedi. "Ortaokuldayken bir fen dersi raporu için farklı şekil, boyut ve renklerde çok sayıda yaprak topladığımı ve bitkilerin doğadaki tüm bu sayısız karmaşıklığı ve çeşitliliği nasıl ürettiğini çok merak ettiğimi hatırlıyorum. Bu deneyim, biyokütle üretiminin temel fenomenlerini daha derinlemesine araştırmak ve toplumsal fayda için değerli biyo-ürünler üretmek üzere sürdürülebilir mühendislik kullanarak kullanmak için bana ilham verdi."


Üç araştırma ekibinin her birinden bilim insanları benzersiz ve kritik katkılarda bulundu.


Geleneksel laboratuvar mikroskopları, hücre duvarı inşa sürecinin en iyi ihtimalle bulanık görüntülerini sağlayarak işe yaramadığında, ekip, toplam iç yansıma floresan mikroskobu adı verilen gelişmiş bir süper çözünürlüklü ve minimal invaziv tekniğe yöneldi. Hücrelerin yalnızca alt yüzeyinin görüntülerini yakalayan yaklaşım, hücreleri ağartmadan ve tahrip etmeden 24 saat boyunca video çekebilecek kadar hassastı.


Biyofizikçi ve canlı sistemleri incelemek için en son mikroskopi tekniklerini kullanma konusunda uzman olan Lee, proje için özel bir mikroskop geliştirdi ve görüntüleme çalışmalarını denetledi.


Chundawat, bilim insanlarının ortaya çıkan selüloz dallarını floresan protein boyasıyla etiketlemelerine olanak tanıyan bir tekniğe öncülük eden bir ekibe liderlik etti.


Biyomühendis olan Chundawat, protein mühendisliği ve selüloz gibi karmaşık karbonhidratların incelenmesi olan glikoz bilimlerinde uzmandır. Hücreleri floresan ve mikroskopla tespit edilebilir hale getirmek için o ve ekibi, özellikle selüloza bağlanan tasarlanmış bir bakteriyel enzimden türetilen bir prob geliştirdi.


Bitki genetiği ve biyoteknolojisi konusunda uzman olan Lam ve ekibi, Arabidopsis'in tek tek hücrelerinin hücre duvarını kaldırarak protoplast hücreleri tarafından örülecek yeni hücre duvarları için "boş bir sayfa" oluşturmanın bir yolunu buldu.


Lam, "Bu, optimize edilmiş koşullar altında yeni sentezlenen selülozu görselleştirmemizi ve izlememizi engellemek için çok az veya hiç arka plan selülozu sağladı" dedi.


Çalışmada yer alan diğer Rutgers bilim insanları şunlardır: Kantitatif Biyotıp Enstitüsü'nde doktora sonrası bilim insanı olan Hyun Huh; doktora öğrencisi Dharanidaran Jayachandran ve Kimya ve Biyokimya Mühendisliği Bölümü'nde doktora sonrası bilim insanı olan Mohammad Irfan; ve Bitki Biyolojisi Bölümü'nde laboratuvar teknisyeni olan Junhong Sun.


Bitkiler hakkında daha fazla bilgi edinmek isteyen genç öğrenciler için animasyonlar mevcuttur, ancak Rutgers çalışması selüloz sentezi ve hücre duvarı oluşumu sürecinin çok daha karmaşık olduğunu göstermektedir.

Kaynak: Rutgers University