Dans une étude révolutionnaire sur la synthèse de la cellulose – un grand constituant de toutes les parois cellulaires végétales – une équipe de Rutgers University-New Brunswick chercheurs a capturé des images du processus microscopique de la construction de mur cellulaires en continu sur 24 heures avec des cellules végétales vivantes, fournissant des informations critiques qui peuvent conduire au développement de plantes plus robustes pour une augmentation des produits alimentaires et des biofuels à coût inférieur.
La découverte, publié dans le journal Avancées scientifiquesrévèle un processus dynamique jamais vu auparavant et peut fournir des applications pratiques pour les produits de tous les jours dérivés de plantes, notamment des textiles améliorés, des biocarburants, des plastiques biodégradables et de nouveaux produits médicaux.
La recherche devrait également contribuer aux connaissances fondamentales tout en fournissant une nouvelle compréhension de la formation des parois cellulaires, ont déclaré les scientifiques.
Il représente plus de six ans d’efforts et de collaboration entre trois laboratoires de disciplines académiques différentes mais complémentaires chez Rutgers: The School of Arts and Sciences, The School of Engineering et The School of Environmental and Biological Sciences.
Une vidéo en accéléré montrant les cellules d’Arabidopsis génère des fibrilles de cellulose. Crédit: Lee Lab / Rutgers University
« Cette œuvre est la première visualisation directe de la façon dont la cellulose synthétise et s’assemble dans un réseau de fibrilles dense sur une surface cellulaire végétale, depuis la première observation microscopique de Robert Hook des parois cellulaires en 1667 », a déclaré Sang-Hyuk Lee, professeur agrégé au ministère de la Physique et de l’astronomie et un auteur de l’étude.
« Cette étude fournit également des informations entièrement nouvelles sur la façon dont des mécanismes physiques de base simples tels que la diffusion et l’auto-organisation peuvent conduire à la formation de réseaux de cellulose complexes dans les cellules. »
Les images vidéo générées par le microscope montrent des protoplastes – des cellules avec leurs murs supprimées – du cousin du chou, la plante à fleurs Arabidopsis, germant chaotiquement des filaments de fibres de cellulose qui s’auto-s’auto-s’auto-assemblent dans un réseau complexe sur la surface de la cellule extérieure.
« J’ai été très surpris par l’émergence de structures ordonnées hors de la danse chaotique des molécules lorsque j’ai vu ces images vidéo pour la première fois », a déclaré Lee, qui est également membre du corps professoral de l’Institut de biomédecine quantitative. « Je pensais que la cellulose végétale serait faite de manière beaucoup plus organisée, comme le montre les manuels de biologie classique. »
La cellulose est le biopolymère le plus abondant – les molécules élantes naturellement produites par les organismes vivants – sur la Terre. Glucide qui est la principale composante structurelle des parois des cellules végétales, la cellulose est largement utilisée dans l’industrie pour fabriquer une gamme de produits, y compris du papier et des vêtements. Il est également utilisé dans la filtration, piégeant les grandes particules plus efficacement et améliorant l’écoulement, et en tant qu’agent d’épaississement dans les aliments tels que le yaourt et la crème glacée.
« Cette découverte ouvre la porte aux chercheurs pour commencer à disséquer les gènes qui pourraient jouer divers rôles pour la biosynthèse de la cellulose dans la plante », a déclaré Eric Lam, professeur distingué dans le Département de biologie de la plante à la Rutgers School of Environmental and Biological Sciences et un auteur de l’étude.
« Les connaissances acquises à partir de ces futures études fourniront de nouveaux indices pour les approches pour concevoir de meilleures plantes pour la capture du carbone, améliorer la tolérance à toutes sortes de stress environnementaux, de la sécheresse à la maladie et optimiser la production de bioculaires cellulosiques de deuxième génération. »
Le travail est l’aboutissement d’un rêve d’enfance pour Shishir Chundawat, professeur agrégé au Département de génie chimique et biochimique de la Rutgers School of Engineering et auteur de l’étude.
« J’ai toujours été fasciné par les plantes et la façon dont ils capturent la lumière du soleil via des feuilles dans des formes de carbone réduites comme la cellulose qui forment des parois cellulaires », a déclaré Chundawat, qui prévoit d’explorer de nouvelles façons de produire de nouveaux biocarburants durables et biochimiques à partir de diverses matières premières comme les plantes terrestres et les algaes marines.
« Je me souviens de retour au collège lorsque j’avais collecté de nombreuses feuilles de différentes formes, tailles et couleurs pour un rapport de classe de sciences, et être très curieux de savoir comment les plantes produisent toute cette myriade de complexité et de diversité de nature. J’ai été inspiré par cette expérience pour approfondir les phénomènes fondamentaux de la production de biomasse et de son utilisation en utilisant l’ingénierie durable pour produire des bioproducts de biomasse. » « .
Des scientifiques de chacune des trois équipes de recherche ont apporté des contributions uniques et critiques.
Lorsque les microscopes de laboratoire conventionnels ne le feraient pas, offrant au mieux des images floues du processus de construction de la paroi cellulaire, l’équipe s’est tournée vers une super-résolution avancée et une technique mini-invasive appelée microscopie à fluorescence de réflexion interne totale.
L’approche, qui n’a capturé les images que de la surface inférieure des cellules, était suffisamment sensible pour prendre des vidéos pendant 24 heures sans blanchir et détruire les cellules.
Lee, biophysicien et expert en utilisant des techniques de microscopie de pointe pour étudier les systèmes vivants, a développé un microscope personnalisé pour le projet et supervisé les efforts d’imagerie.
Chundawat a dirigé une équipe qui a lancé une technique permettant aux scientifiques d’étiqueter les vrilles de cellulose émergentes avec un colorant protéique fluorescent.
Chundawat est un bio-ingénieur et expert en ingénierie des protéines et en glycosciences, l’étude des glucides complexes tels que la cellulose. Pour rendre les cellules fluorescentes et détectables au microscope, lui et son équipe ont développé une sonde dérivée d’une enzyme bactérienne d’ingénierie qui se lie spécifiquement à la cellulose.
Lam, un expert de la génétique végétale et de la biotechnologie, et son équipe a trouvé un moyen d’éliminer la paroi cellulaire des cellules individuelles d’Arabidopsis pour créer une « ardoise vierge » pour que de nouvelles parois cellulaires soient déposées par des cellules protoplastiques.
« Cela a fourni peu ou pas de cellulose de fond pour confondre notre visualisation et le suivi de la cellulose nouvellement synthétisée dans des conditions optimisées », a déclaré Lam.
Les autres scientifiques de Rutgers dans l’étude comprenaient: Hyun Huh, un scientifique postdoctoral de l’Institut de biomédecine quantitative; Dharanidaran Jayachandran, un doctorant; et Mohammad Irfan, scientifique postdoctoral du Département de génie chimique et biochimique; et Junhong Sun, un technicien de laboratoire au Département de biologie des plantes.
Plus d’informations:
Hyun Huh et al, suivi résolu dans le temps de la biosynthèse et de l’assemblage de la cellulose pendant la régénération de la paroi cellulaire dans les protoplastes vivants d’Arabidopsis, Avancées scientifiques (2025). Doi: 10.1126 / sciadv.ads6312. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads6312