Växter har inte ben som håller dem uppe som människor gör. Istället har de cellväggar som är tillräckligt hårda för att hindra växter från att böja sig. Dessa tjocka väggar är gjorda av ett sockerbaserat material som kallas cellulosa. Forskare har nu en viss insikt i hur detta material bildas och vilken roll en annan kemikalie som kallas hemicellulosa spelar i limningsprocessen. Nyckeln är hur växtmolekyler tar sig från punkt A till punkt B i en växt.

"Hur cellulosan transporteras och sedan sätts ihop i cellväggen är ett problem inom växtbiologin", säger Loren Hough, programledare för programmet Biological Systems &Synthetic Biology vid DOE:s Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. "Denna studie avslöjar hur byggstenarna för cellulosa går samman till slutprodukten i växtens cellvägg."

Cellulosa är en lång kedja som består av mindre molekyler som kallas glukos. Ett av de stora mysterierna är varför cellulosa sätts ihop till en så stel form i växten.

Cellulosa produceras i en specialiserad monteringslinje inuti växtceller som kallas cellulosasyntaskomplexet. I en ny studie publicerad i tidskriften Nature tittade forskare i Kina, ledda av Jiayang Li från den kinesiska vetenskapsakademin, noga på löpande bandet med kryo-elektronmikroskopi. Instrumentet gör det möjligt för forskare att undersöka proteiner, som cellulosasyntaserna, när de fryses i verkan, och avslöjar detaljer om hur proteiner utför specifika uppgifter.

Forskarna skapade cellulosasyntasenzymkomplex som de kunde studera med denna kryoelektronmikroskopteknik. De kunde sedan rekonstruera en detaljerad modell som visar proteinkomplexen involverade i syntesen av cellulosa.

Forskarna fann att hemicellulosa fungerar som ett lim som styr cellulosaproduktionen inom växternas cellväggar. Studien avslöjade hur limmen går samman för att skapa en stark matris av cellulosakedjor.

"Forskarna kunde faktiskt se hemicellulosorna interagera med ett transmembrant cellulosasyntaskomplex eftersom det faktiskt syntetiserar cellulosakedjor," sa Hough.

Att förstå denna växttillväxtmekanism kan leda till utvecklingen av nya växter som producerar fler och starkare cellulosafibrer. Detta förbättrade material skulle kunna användas för att tillverka biobränslen, papper, textilier och andra produkter.

"Cellulosa är en av de viktigaste förnybara resurserna på planeten", säger Michael Himmel, chef för BioEnergy Science Center (BESC), ett DOE Bioenergy Research Center (BRC). ”Denna studie är ett genombrott i vår förståelse av cellulosaproduktion i växter. Det är spännande att fundera över möjligheterna att utnyttja denna livsviktiga resurs i biobränslen och andra energirelaterade tillämpningar.”

Studien bidrar också till det DOE-finansierade Agile BioFoundry-projektet. Agile BioFoundry flyttar fram gränserna för syntetisk biologi genom att utveckla ett "agilt gjuteri" som är kapabelt att designa, tillverka och testa nya genetiska kretsar och hela celler från grunden. Verket publicerat i Nature är ett utmärkt exempel på smidiga gjuterier i aktion.

"Denna forskning visar hur grundläggande upptäckter relaterade till växtbiologi kan påskyndas av Agile BioFoundrys syntetiska biologiplattform med öppen tillgång", säger Chris Voigt, chef för Agile BioFoundry och professor i biomedicinsk teknik vid Massachusetts Institute of Technology.