Механика клеточной стенки растений подсказывает, как создавать устойчивые архитектурные формы

от

Учёные из Корнелла работают над созданием растений и других организмов, которые можно использовать для выращивания биоразлагаемых материалов. Но сначала им нужно понять, как клеточные стенки контролируют рост растений.

Новое исследование, в котором использовалась модель растения Arabidopsis thaliana, делает важный шаг в этом направлении. Соединяя области биологии растений и машиностроения, учёные изучали механические свойства клеточных стенок, такие как их растяжение и восстановление, удлинение без возврата к первоначальной форме и утончение при растяжении. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

«Понимая механику клеточных стенок, связанную с развитием растений, мы однажды сможем создавать растения, которые будут расти из материалов с желаемой формой и размером, таких как биоразлагаемые упаковочные материалы, формируемые непосредственно самим растением», — сказал Си Чен, научный сотрудник Института инженерных живых материалов (ELMI) и первый автор статьи.

Междисциплинарный ELMI, запущенный три года назад и включающий биологов, инженеров и архитекторов, направлен на исследование и разработку новых функциональных и устойчивых материалов из растений и других живых организмов, таких как грибы и бактерии.

Когда растения растут, их первичные клеточные стенки, которые образуют внешний слой растительной клетки, участвуют в росте, в то время как вторичные клеточные стенки делают структуры твёрдыми после прекращения роста. Это исследование было сосредоточено на стадии роста и свойствах первичных клеточных стенок.

Чен разработал экспериментальные схемы для сбора данных о том, сколько силы требуется для растяжения стенок и насколько тоньше становятся стенки при удлинении.

«Если мы сможем создать растения, которые будут изменять свою форму на стадии роста до того, как они сформируют вторичную клеточную стенку, мы сможем создать что-то твёрдое со структурой, основанной на внешнем слое», — сказала Адриенн Родер, профессор секции биологии растений в Школе интегративной науки о растениях, в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни и в Институте Вейля по клеточной и молекулярной биологии, а также старший автор исследования.

Чен также изучила временные рамки развития растения, чтобы понять, как механические свойства изменяются, когда листья растут быстро, по сравнению с тем, когда они замедляются и перестают расти. И она протестировала механические свойства клеточной стенки у мутантного Arabidopsis, называемого spiral 2, который скручивается по мере роста, чтобы оценить свойства того, как материал клеточной стенки укладывается по спирали.

Она также создала простую модель, чтобы помочь ей лучше понять механическое поведение, используя пять балок, представляющих целлюлозные волокна, соединённые в четырёхстороннюю ромбовидную форму с поперечной балкой, чтобы концептуализировать архитектуру клеточной стенки. Используя эту модель, она показала, как поведение балок (изгиб, переориентация, растяжение, скольжение) и как соединители между этими балками способствуют общему механическому отклику.

«Именно соединения между этими балками действительно имеют решающее значение», — сказала Родер. «Это указывает нам на то, что в будущем нам действительно нужно сосредоточиться на этих точках соединения при создании материалов».

Предоставлено Корнельским университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте