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¿Qué hace que las paredes de las células vegetales sean tan fuertes como extensibles?

¿Qué hace que las paredes de las células vegetales sean tan fuertes como extensibles?
Una nueva investigación que modela la pared celular vegetal revela que las cadenas de celulosa se agrupan dentro de la pared celular y se deslizan entre sí cuando la célula se estira, proporcionando una combinación única de fuerza y ​​extensibilidad. La imagen muestra el modelo de la pared celular durante el estiramiento uniaxial, incluidos sus componentes primarios celulosa (púrpura), xiloglucano (verde) y pectina (amarillo). Crédito: Laboratorio Cosgrove, Penn State

La capacidad única de una pared celular vegetal para expandirse sin debilitarse o romperse, una cualidad requerida para el crecimiento de las plantas, se debe al movimiento de su esqueleto de celulosa, según una nueva investigación que modela la pared celular.


por la Universidad Estatal de Pensilvania


El nuevo modelo, creado por investigadores de Penn State, revela que las cadenas de celulosa se agrupan dentro de la pared celular, proporcionando fuerza y ​​se deslizan unas contra otras cuando la célula se estira, proporcionando extensibilidad.

El nuevo estudio, que aparece en línea el 14 de mayo en la revista Science , presenta un nuevo concepto de la pared celular vegetal, brinda información sobre el crecimiento de las células vegetales y podría inspirar el diseño de materiales poliméricos con nuevas propiedades.

«Durante mucho tiempo, el concepto predominante de una pared celular vegetal ha sido el de un gel reforzado por fibras de celulosa , con las varillas rígidas de celulosa actuando como barras de acero en el cemento», dijo Daniel Cosgrove, profesor de biología en Penn State. y autor principal del artículo. «Sin embargo, determinamos que las cadenas de celulosa, en cambio, se adhieren entre sí para formar una red de haces de celulosa, lo que proporciona mucha más resistencia mecánica que las varillas desconectadas que flotan en un gel. Y son las cadenas de celulosa, en lugar de otros componentes, las que limitan la celda expansión de la pared, deslizándose uno junto al otro como una escalera de extensión cuando la celda se estira «.

Los enfoques anteriores para modelar las paredes celulares de las plantas se enfocaron a una escala demasiado grande para incorporar el comportamiento de los componentes celulares individuales o a una escala demasiado pequeña, a nivel atómico, para incorporar la mecánica real de la pared. En este estudio, los investigadores utilizaron un modelo informático de grano grueso al nivel de los polímeros que forman la pared celular: los hilos de celulosa y otras moléculas de azúcar que están unidas entre sí en largas cadenas. En lugar de modelar átomos individuales, los investigadores representaron microfibras de celulosa y otros componentes con cadenas de cuentas que se comportan como resortes pegajosos, para replicar las propiedades físicas de estos componentes.

«A diferencia de muchos otros modelos, también tomamos en cuenta la tendencia de las moléculas a pegarse modelando el enlace no covalente entre ellas», dijo Cosgrove. «Esto nos permitió investigar las consecuencias de las interacciones entre las cadenas».

El equipo modeló específicamente capas de una pared celular de cebolla para poder comparar sus valores modelados de características mecánicas con los experimentos que realizaron con pieles de cebolla reales. Al estirar las paredes celulares de la cebolla de varias maneras y utilizando conocimientos moleculares del modelo, exploraron las estructuras responsables de las características mecánicas únicas de la pared celular.

«Las paredes de las células vegetales son únicas porque deben ser muy fuertes para ayudar a proteger y sostener la planta y muy extensibles porque deben expandirse cuando la planta crece», dijo Yao Zhang, investigador postdoctoral en biología en Penn State y primer autor del artículo. «Descubrimos que las microfibras de celulosa soportan la mayor parte del estrés y son clave para que la pared celular mantenga tanto su fuerza como su extensibilidad».

Los investigadores determinaron que las fibras de celulosa individuales se alinean y se adhieren entre sí, formando una red de haces. Las microfibras en un paquete se enderezan y pueden deslizarse unas junto a otras, en un tipo de acción telescópica, cuando la celda se estira, transmitiendo fuerzas entre ellas y dando como resultado la extensión de la celda.

«Durante mucho tiempo, los investigadores han medido las propiedades mecánicas, como el estrés y la tensión, de las paredes de las células vegetales y cómo estas propiedades cambian en condiciones de sequía y otras», dijo Cosgrove. «Pero hasta ahora, carecíamos de una descripción molecular de lo que estaba sucediendo a nivel molecular para comprender estas medidas. En este estudio, aclaramos las funciones de los diversos componentes en la pared celular vegetal y proporcionamos un marco cuantitativo para interpretar los experimentos utilizados en la investigación de plantas «.

Los conocimientos de este estudio pueden ser particularmente útiles en el trabajo futuro que investigue cómo las plantas regulan las propiedades de la pared celular , lo que afecta la velocidad y la dirección de su crecimiento. Por ejemplo, los tallos jóvenes se alargan rápidamente en la primavera, mientras que muchos frutos crecen de forma esférica.

Los investigadores esperan extender su modelo para simular las paredes celulares de otras especies de plantas y expandirlo para abarcar una célula completa.

«Nuestra tecnología actualmente no puede igualar la capacidad de una planta para crear un material tan fuerte y extensible», dijo Yao. «El diseño de las paredes de las células vegetales puede proporcionar inspiración para el diseño de materiales ecológicos con una variedad de aplicaciones».



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