Растительные волокна очень давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы встречаемся с ними, когда читаем газету, надеваем джинсы или садимся за рабочий стол.

Растительные волокна очень давно и прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Мы встречаемся с ними, когда читаем газету, надеваем джинсы или садимся за рабочий стол. Столь разнообразные по свойствам материалы, как хлопковая ткань, бумага или древесина, схожи по химической структуре. Их основа — растительное волокно целлюлоза. Исследования археологов показывают, что люди используют её со времён палеолита, а это значит, что целлюлоза — материальный носитель нашей культуры уже более 30 тысяч лет. Изобретение и широкое распространение книгопечатания, которое не обошлось без целлюлозы, дали сильный толчок развитию человеческой цивилизации. Возможно, когда-нибудь мы полностью перейдём на электронные книги и журналы, но пока этого не произошло, а школьники и студенты хоть иногда, но пользуются бумажными учебниками и тетрадками, целлюлоза остаётся важным и необходимым участником процесса накопления и передачи знаний.

Клетки коры пробкового дерева. Гравюра из книги Роберта Гука «Micrographia» (Robert Hooke. «Micrographia: Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses». London: J. Martyn and J. Allestry, 1665).

В строении белковых молекул всех живых организмов можно выделить два вида типичных элементов вторичной структуры — α-спираль и β-слой.

Пространственная модель третичной структуры молекулы целлюлозосинтазы, показывающая расположение элементов её вторичной структуры (α-спиралей и β-слоёв) относительно друг друга

В растительных клетках целлюлоза синтезируется сложным белковым целлюлозосинтазным комплексом, модель которого приведена на рисунке.

Микрофотография «вывернутой наизнанку» клетки табака. Видны внутренняя поверхность оболочки растительной клетки и целлюлозосинтезирующий комплекс (в окружности), связанный с микрофибриллой целлюлозы (отмечена стрелкой).

Основу растительных волокон составляют молекулы глюкозы, которые соединяются друг с другом, образуя цепочку молекулы целлюлозы (А).

Но кто же те трудолюбивые «ткачихи», которые изготавливают растительные волокна? Что собой представляют и как работают растительные фабрики, производящие столь качественную продукцию в огромных количествах?

Впервые в поле зрения учёных целлюлоза попала во второй половине XVII века, когда Роберт Гук сфокусировал свой микроскоп на препарате среза пробкового дерева. Английский исследователь увидел сетчатую структуру среза, отдельные ячейки которой он назвал клетками. Теперь мы знаем, что Гук наблюдал не сами клетки, а перегородки между ними — клеточные стенки.

Намного позднее, в первой половине XIX века, французский химик Ансельм Пайен (Anselme Payen) анализировал химический состав перегородок, которые почти за двести лет до этого зарисовал Гук. Он установил, что основную их часть составляет волокнистое вещество. Ансельм Пайен назвал его целлюлозой (от лат. cellula — клетка). Изучение структуры этого вещества показало, что оно представляет собой длинные ниточки или, точнее сказать, цепочки, состоящие из одинаковых повторяющихся звеньев —более мелких молекул глюкозы. По мере накопления научных фактов обнаружилась интересная закономерность. Растения способны синтезировать целлюлозу и откладывать её в оболочки клеток, животные же, за очень редким исключением (например, асцидии Ciona savignyi, Molgula), не образуют этого полимера.

По мере развития биологии исследователей уже интересовало не только описание живых организмов, их формы, окраски, но и то, как они функционируют, почему имеют ту или иную окраску, какими процессами это обеспечивается и как они протекают. К середине XX века стало ясно, что любое присутствующее в растениях или животных вещество образуется в ходе биохимической реакции, для протекания которой требуется тот или иной фермент. Исследователи приступили к изучению метаболизма живых организмов.

В исследовании метаболизма целлюлозы ничто не предвещало серьёзных трудностей. Этот полимер устроен достаточно просто, поэтому предполагалось, что и процессы, обеспечивающие его накопление, не очень сложны. Целлюлозу рассматривали как элемент клеточной стенки растений, а саму клеточную стенку представляли как «картонную коробку» для живого содержимого клетки. Образование целлюлозы представлялось процессом постепенного утолщения стенок «коробки», подобно тому, как наслаивается накипь на стенках чайника. Однако в действительности всё оказалось значительно сложнее. Многочисленные попытки изучить реакцию накопления целлюлозы и выделить растительный фермент, отвечающий за эту реакцию, не увенчались успехом. Всё большее число экспериментальных данных указывало на то, что в биосинтезе целлюлозы участвует целый комплекс ферментов. Складывалась парадоксальная ситуация: для синтеза довольно простого с точки зрения биохимии вещества в живой клетке оказались задействованными очень сложные механизмы, настолько сложные, что учёные до сих пор не могут воспроизвести биосинтез целлюлозы в пробирке, хотя многое в нём уже понятно благодаря микробиологии, генетике и биоинформатике.

При изучении подобных биологических процессов в ХХ веке часто прибегали к «помощи» бактерий. Клетки этих мельчайших живых организмов устроены проще, чем клетки многоклеточных, поэтому и изучать их легче. В случае с целлюлозой микробы также сыграли немаловажную роль. Следует отметить, что в целом бактериям несвойственно образование целлюлозы, однако некоторые их виды, среди которых Acetobacter xylinum*, способны синтезировать это вещество**.

Из бактерий Acetobacter xylinum удалось, в отличие от растительных клеток, выделить фермент, который синтезирует целлюлозу. Проанализировав бактериальную целлюлозосинтазу (именно так называется этот фермент), исследователи установили ключевой участок её молекулы, где происходит «нанизывание» отдельных звеньев глюкозы в длинную цепочку целлюлозы. Эта информация оказалась очень ценной, поскольку дала ключ к поиску аналогичных ферментов у растений. К тому же было известно, что подавляющее число ферментов (в том числе и целлюлозосинтаза) относится к белкам.

Если невозможно выделить ферменты, участвующие в биосинтезе целлюлозы, можно выделить гены, которые кодируют эти ферменты. Ведь с генами работать намного проще. А информация о всех имеющихся особенностях структуры ферментов записана в соответствующих генах. Поэтому можно сравнивать не только ферменты и искать в них интересующие участки, но и гены, которые их кодируют. Исследователи использовали информацию о структуре бактериальных генов целлюлозосинтаз для поиска их растительных аналогов. Этот подход принёс долгожданный успех — секрет биосинтеза целлюлозы растениями был раскрыт. В 1996 году научной группе во главе с Дж. Пеэр (J. R. Pear) удалось идентифицировать два гена целлюлозосинтаз хлопчатника и один ген риса. Располагая данными о структуре растительных генов, учёные смогли перевести генетическую информацию на язык белковой последовательности фермента. В свою очередь, анализ белковых последовательностей при помощи биоинформатических алгоритмов позволил смоделировать структуру растительных целлюлозосинтаз.

Оказалось, что для осуществления синтеза целлюлозы шесть растительных ферментов должны объединиться вместе, а этот шестикомпонентный комплекс, в свою очередь, должен объединиться с шестью другими такими же шестикомпонентными комплексами. Растительная целлюлозосинтаза — очень «компанейский» фермент, который работает только в команде, включающей в конечном итоге 36 других ферментов.

Объединившись особым образом, эти 36 ферментов встраиваются в биологическую мембрану и только тогда начинают нанизывать отдельные звенья глюкозы, образуя длинную цепочку целлюлозного полимера. Растительная целлюлозосинтаза — это 36 «ткачих», которые по шестеро рассажены в шесть отдельных команд. Каждая «ткачиха» прядёт свою нить — отдельную цепочку целлюлозы, которая сплетается вместе с другими в упругую косичку из 36 ниточек. Такая косичка называется целлюлозной микрофибриллой. Все «ткачихи» должны работать слаженно, чтобы косичка получилась равномерной и без перекосов. Если все ниточки микрофибриллы на месте, косичка сплетена ровно, без брака, то говорят о кристаллической форме целлюлозы, а если косичка где-то расплелась, растрепалась, то это аморфная целлюлоза.

Хорошо сплетённая целлюлозная микрофибрилла — отличная опора для всего растения, а среди них встречаются настоящие гиганты. Правильно уложенные косички целлюлозы образуют прочный и длинный скелет, который надёжно удерживает и многовековой дуб, и раскидистую иву, прочность которого по большому счёту рождается благодаря стараниям 36 искусных «ткачих».

Исследования молекулярных комплексов, ответственных за биосинтез целлюлозы, важны и перспективны. С одной стороны, они позволяют познавать процессы роста и развития растительной клетки, механизмы обмена информацией между клетками и окружающей средой, другими словами, узнать больше о динамическом равновесии, называемом жизнью. С другой стороны, они открывают возможность изменять и моделировать свойства растительного волокна под запросы конкретной области производства.

Комментарии к статье

* Бактерии Acetobacter xylinum можно встретить в составе сложного микробного сообщества, называемого «чайный гриб».

** На сервере Youtube по ссылке http://www.youtube.com/watch?v=EVBHab7TU_w размещён ролик видеомикроскопии в режиме реального времени, демонстрирующий процесс биосинтеза целлюлозы бактериями Acetobacter xylinum.

№3, 2014