植物如何制造纤维素变强变高？

　　

植物的纤维素是它们的承重结构，就像建筑工人如何建造房屋，弗吉尼亚大学（UVA）医学院的一项新研究揭示了植物如何制造纤维素。

这篇文章发表在《Science》杂志，这项由美国能源部资助的研究揭示了植物用来将纤维素链编织成被称为“微纤维”的电缆状结构的分子机制。这些微纤维为陆地植物的细胞壁提供了重要的支撑，并使它们在细胞内施加压力。这种压力使植物向天空生长。

UVA分子生理学和生物物理系研究员Jochen Zimmer说：“纤维素是最丰富的天然聚合物，它的组成部分葡萄糖是光合作用的直接产物，能从大气中捕获二氧化碳。从分子水平上理解纤维素是如何产生的，这使我们能够调整其生物合成，以改变纤维素的物理性质，优化碳吸收或提取储存的能量来为人造过程提供燃料。”

构建纤维素

纤维素是一种坚韧的物质，从一开始就伴随并塑造了人类的进化。它被用于制造建筑材料、衣服、纸张、食品添加剂甚至医疗工具。这种聚合物不溶于水，微生物很难将其分解。这些只是纤维素独特材料特性的几个例子。

Zimmer和他的同事们已经阐明了植物是如何产生这种基本物质的。科学家们已经知道纤维素是由葡萄糖（一种简单的糖）的分子链在一起组成的，但是新的研究揭示了植物用来做这件事的分子机制。从本质上讲，科学家们已经绘制出了植物用来制造纤维素并将其运输到细胞表面的工厂蓝图。这些工厂被称为纤维素合成酶复合物，它们位于细胞膜内，物质运输需要通过细胞边界。

研究人员发现，这些工厂生产三种纤维素链，其中部分位于细胞内。它们还通过穿过细胞边界的通道将聚合物运送到细胞表面。这些通道将纤维素链释放到一个出口点，将它们排列成细纤维“原纤维”。原纤维像牙膏一样从管子里挤出来，形成一条细丝。然后，它们与许多其他的细胞组装成微纤维，在细胞壁上发挥它们的基本功能。

纤维素原纤维和微纤维只有几纳米厚。但他们的力量在于它们的个数。植物制造一条又一条的微纤维来支持它们的细胞。组装时，产生的结构非常坚固。

纤维素工厂太小了，用传统的光学显微镜是看不见的。为了绘制出它们，Zimmer和他的同事利用了UVA的泰坦克里奥斯电子显微镜的威力。这是一台非常敏感的机器以至于它埋在地下深处，包裹在数吨混凝土中，以避免哪怕是最轻微的震动。它使科学家们能够揭示一个以前人类看不见的迷人的分子世界。

在这种情况下，它让研究小组第一次看到了世界上最丰富的生物聚合物的生产和组装。

“我们已经面临着迅速变化的环境条件，这些环境条件影响着世界各地的农业和粮食安全，“Zimmer 说。“在未来，了解植物如何在分子水平上运行，对人类健康将越来越重要，”现在投资植物科学比以往任何时候都重要。

原文检索：Architecture of a catalytically active homotrimeric plant cellulose synthase complex
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/07/08/science.abb2978

（生物通：伍松）