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弗吉尼亚大学医学院的一项新研究揭示了植物如何创造能够支撑植物生长的承重结构,就像建筑工人如何构筑房屋一样。这一新发现由美国能源部资助,揭示了植物用来将纤维素链编织成称为“微纤维”的电缆状结构的分子机械。

现在对植物科学进行投资比以往任何时候都更加重要

这些微纤维为陆地植物的细胞壁提供了至关重要的支持,并使其在细胞内部积聚压力。这种压力使植物向天空生长。

纤维素是自然产生的最丰富的聚合物,其构成要素葡萄糖是光合作用的直接产物,可以从大气中捕获二氧化碳。”

从分子水平上了解纤维素的生产方法,使我们能够调整其生物合成,从而改变纤维素的物理性质,优化碳固存或提取存储的能量来为人造过程提供燃料。”

建造纤维素

纤维素是坚韧的东西,从一开始就伴随并塑造着人类的进化。它用于制造建筑材料,衣服,纸张,食品添加剂,甚至医疗工具。

聚合物不溶于水,微生物很难分解。这些只是纤维素独特材料特性的几个例子。

齐默(Zimmer)和他的同事们阐明了植物是如何产生这种必需物质的。科学家们知道纤维素是由链在一起的葡萄糖分子(一种简单的糖)制成的,但是这项新的研究勾画出了植物用来做这种事情的分子机械。

本质上,科学家们创造了工厂用来制造纤维素并将其运输到细胞表面的工厂的蓝图。这些工厂被称为纤维素合酶复合物,它们位于细胞膜内,从而能够跨细胞边界运输。

研究人员发现,这些工厂生产出三条纤维素链,其中一部分位于细胞内。它们还通过横穿细胞边界的通道将聚合物运输到细胞表面。

这些通道将纤维素链释放到一个出口,使它们对准纤细的“原纤维”。原纤维像牙膏一样从管子中冒出来。然后将它们与其他许多细胞组装成微纤维,以在细胞壁中发挥其基本功能。

纤维素原纤维和微纤维的厚度只有几纳米-纳米是十亿分之一米。但是他们的优势在于数量。植物在产生微纤丝后会产生微纤丝以支撑其细胞。组装时,所得结构非常坚固。

您可能会想到如何包装干燥的稻草碎片以制成耐用的防水茅草屋顶。

纤维素工厂太小了,用常规的光学显微镜看不到。为了将它们绘制出来,齐默尔和他的同事们利用了UVA的Titan Krios电子显微镜的强大功能。

这是一台非常灵敏的机器,以至于它被埋在很深的地下,被数吨的混凝土包裹着,即使在最小的振动下也无法幸免。它使科学家能够揭示一个以前未被人类发现的引人入胜的分子世界。

在这种情况下,它使研究团队能够第一眼看到世界上最丰富的生物聚合物的生产和组装。

齐默说:“我们已经面临着影响世界范围内农业和粮食安全的瞬息万变的环境条件。将来,了解植物如何在分子水平上运行对于人口健康将越来越重要。”

现在对植物科学进行投资以往任何时候都更加重要。”

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