罗格斯大学生物物理学家、生物工程师和植物生物学家组成的团队取得了具有广阔实际应用前景的突破，他们捕获了第一批实时图像。在一项开创性研究中，罗格斯大学新不伦瑞克分校的研究人员利用活体植物细胞，连续24小时捕捉到了纤维素合成（植物细胞壁的构建过程）的图像。

纤维素生物合成的艺术渲染图（放大图）。单个纤维素链（深棕色）由质膜结合（紫色）的纤维素合酶复合物（乳白色）合成，并结合形成基本原纤维（浅棕色），进一步组装成微原纤维网络，构成细胞壁的主要支架。图片来源：Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Chundawat， Lee and Lam Labs

这是首次实时观察到细胞壁构建的动态过程，为培育更具抗逆性的作物、提高粮食产量和降低生物燃料成本提供了重要的见解。

该研究发表在《科学进展》杂志上，揭示了前所未有的细胞活动，并为先进纺织品、可生物降解塑料、改良生物燃料和医疗创新等领域的实际应用开辟了新的可能性。研究人员表示，这些发现还加深了对植物细胞壁形成机制的根本理解。

这一发现是罗格斯大学三个实验室六年多跨学科合作的成果，借鉴了文理学院、工程学院和环境与生物科学学院的专业知识。

植物原生质体细胞表面纤维素再生的艺术渲染图（缩小视图）。纤维素由质膜结合酶复合物（绿色）合成，并组装成微纤维网络（棕色），构成细胞壁的主要支架。图片来源：Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Chundawat， Lee and Lam Labs

“自1667年罗伯特·胡克首次在显微镜下观察细胞壁以来，这项研究首次直接可视化了纤维素如何在植物细胞表面合成并自组装成致密的纤维网络，”该研究的作者、物理与天文系副教授李相赫说道。“这项研究还提供了全新的见解，让我们了解诸如扩散和自组织等简单、基本的物理机制如何导致细胞中复杂的纤维素网络的形成。”

显微镜生成的视频图像显示，卷心菜的近亲、开花植物拟南芥的原生质体（去除了细胞壁的细胞）混乱地长出纤维素纤维细丝，这些细丝逐渐在细胞外表面自组装成复杂的网络。

“当我第一次看到这些视频图像时，我惊讶地发现，从混乱的分子舞动中，竟然出现了有序的结构，”定量生物医学研究所的李教授说道，“我原以为植物纤维素的生成方式会更加有序，就像传统生物学教科书里描述的那样。”

一段延时视频展示了拟南芥细胞如何生成纤维素原纤维。图片来源：Lee Lab/罗格斯大学

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物（生物体自然产生的大分子）。纤维素是一种碳水化合物，是植物细胞壁的主要结构成分，广泛应用于工业生产，包括纸张和服装等一系列产品。它还用于过滤，更有效地捕获大颗粒并增强流动性，并用作酸奶和冰淇淋等食品的增稠剂。

“这一发现为研究人员开启了大门，让他们能够开始剖析可能在植物纤维素生物合成中发挥各种作用的基因，”罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授、该研究的作者埃里克·拉姆（Eric Lam）说道。“从这些未来研究中获得的知识将为设计更好的碳捕获植物、提高对从干旱到疾病等各种环境压力的耐受性以及优化第二代纤维素生物燃料生产的方法提供新的线索。”

这项工作是罗格斯大学工程学院化学与生物化学工程系副教授兼该研究的作者 Shishir Chundawat 童年梦想的顶峰。

“我一直对植物以及它们如何通过叶片吸收阳光，将其转化为纤维素等还原碳形式并最终形成细胞壁的过程非常着迷，”Chundawat说道。她计划探索利用陆生植物和海洋藻类等多样化原料生产新型可持续生物燃料和生物化学品的新方法。“我记得中学时期，为了写科学课报告，我收集了许多形状、大小和颜色各异的叶子，当时我非常好奇植物是如何在自然界中创造出如此复杂多样的生物的。那段经历激励我深入研究生物质生产的基本现象及其利用，并利用可持续工程技术生产出有价值的生物产品，造福社会。”

一些动画可以帮助小学生更好地了解植物，但罗格斯大学的研究表明，纤维素的合成和细胞壁的形成过程要复杂得多。图片来源：罗格斯大学

三个研究团队的科学家都做出了独特而关键的贡献。

由于传统实验室显微镜无法提供细胞壁构建过程的模糊图像，该团队转而采用一种先进的超分辨率和微创技术——全内反射荧光显微镜。这种方法仅捕捉细胞底面的图像，灵敏度足够高，可以连续拍摄24小时的视频，而不会漂白或破坏细胞。

李是一位生物物理学家，也是使用尖端显微镜技术研究生命系统的专家，他为该项目开发了一种定制显微镜并监督了成像工作。

Chundawat 领导的团队率先开发出一种技术，让科学家能够用荧光蛋白染料标记新生的纤维素卷须。

Chundawat是一位生物工程师，也是蛋白质工程和糖科学（研究纤维素等复杂碳水化合物）方面的专家。为了使细胞发出荧光并可被显微镜检测到，他和他的团队开发了一种探针，该探针源自一种专门与纤维素结合的工程细菌酶。

植物遗传学和生物技术专家林博士和他的团队找到了一种方法，可以去除拟南芥单个细胞的细胞壁，从而为原生质体细胞铺设新的细胞壁创建一个“空白板”。

“这几乎没有提供任何背景纤维素来混淆我们在优化条件下对新合成纤维素的可视化和追踪，”Lam说。

编译自/ScitechDaily