Ученые исследуют механику клеточных стенок растений для создания биодеградируемых материалов

Эпидермис листа Arabidopsis демонстрирует трехрежимное нелинейное механическое поведение. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62844-1

Одежда, которая адаптируется к потребностям человека и чувствует внешнюю среду. Лунные лавовые туннели, использующие бактерии, растения и грибы для создания устойчивых человеческих местообитаний в непригодных для жизни местах. Здания, выращенные из живых организмов.

Такие изобретения могут определить будущее, поскольку ученые Корнеллского университета работают над созданием растений и других организмов, способных расти в биодеградируемые полезные формы. Но сначала им необходимо понять основы того, как клеточные стенки контролируют рост растений.

Новое исследование с использованием модельного растения Arabidopsis thaliana делает важный ранний шаг в этом направлении. Объединяя области растениеводства и машиностроения, исследование изучило механические свойства клеточных стенок, такие как их растяжение и отскок, удлинение без возврата к форме и истончение при растяжении. Статья опубликована в Nature Communications.

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

Междисциплинарный институт ELMI, который был создан три года назад и включает биологов, инженеров и архитекторов, ставит целью 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 твердыми после прекращения роста. Это исследование было сосредоточено на стадии роста и свойствах первичных клеточных стенок.

Чен разработала экспериментальные методики для сбора данных о том, какая сила требуется для растяжения стенок и насколько тоньше становятся стенки при удлинении.

«Если мы сможем создать растения, которые меняют свою форму во время фазы роста до того, как образуется вторичная клеточная стенка, мы сможем сформировать что-то твердое со структурой на основе внешнего слоя», — сказала Адриенна Родер, профессор отделения биологии растений Школы интегративных plant science в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни и в Институте клеточной и молекулярной биологии Вейля, старший автор исследования.

Чен также исследовала временные рамки развития растения, чтобы понять, как механические свойства меняются, когда листья растут быстро, по сравнению с тем, когда они замедляются и перестают расти. И она проверила механические свойства клеточной стенки у мутантного Arabidopsis под названием 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 дальше различать механическое поведение, используя пять балок, представляющих целлюлозные волокна, соединенных в четырехстороннюю ромбовидную форму с поперечной балкой для концептуализации архитектуры клеточной стенки. Используя эту модель, она показала, как поведение балок (изгиб, переориентация, растяжение, проскальзывание) и как соединители между этими балками влияют на общий механический отклик.

«Именно соединения между этими балками действительно критичны», — сказала Родер. «Это указывает нам на необходимость сосредоточиться на этих точках соединения при создании материалов в будущем».

Больше информации: Si Chen et al, Fibrous network nature of plant cell walls enables tunable mechanics for development, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62844-1

Источник: Cornell University