Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học tại Đại học Rutgers-New Brunswick đã lần đầu tiên quan sát trực tiếp quá trình tế bào thực vật sống tạo ra xenluloza và hình thành thành tế bào. Đây là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực sinh học, mở ra những hiểu biết sâu sắc về quá trình tổng hợp xenluloza - thành phần chính của thành tế bào thực vật.

Nghiên cứu này đã ghi lại được hình ảnh vi mô của quá trình các tế bào thực vật xây dựng thành tế bào liên tục trong hơn 24 giờ. Những hình ảnh, video thu được từ kính hiển vi cho thấy quá trình hình thành xenluloza diễn ra một cách liên tục, năng động, chưa từng được quan sát trước đây.

Bản vẽ nghệ thuật về quá trình tái sinh cellulose trên bề mặt tế bào nguyên sinh thực vật với góc nhìn thu nhỏ. Cellulose được tổng hợp bởi các phức hợp enzyme liên kết với màng plasma (màu xanh lá cây) và lắp ráp thành mạng lưới vi sợi (màu nâu), tạo thành khung chính cho thành tế bào.

"Nghiên cứu này là hình ảnh trực tiếp đầu tiên về cách xenlulo tổng hợp và tự lắp ráp thành mạng lưới sợi dày đặc trên bề mặt tế bào thực vật, kể từ khi Robert Hook lần đầu tiên quan sát thành tế bào bằng kính hiển vi vào năm 1667", Sang-Hyuk Lee, phó giáo sư tại Khoa Vật lý và Thiên văn học, đồng thời là tác giả của nghiên cứu, cho biết.

"Nghiên cứu này cũng cung cấp những hiểu biết hoàn toàn mới về cách các cơ chế vật lý cơ bản, đơn giản như khuếch tán và tự tổ chức có thể dẫn đến sự hình thành mạng lưới xenlulo phức tạp trong tế bào", Phó giáo sư Sang-Hyuk Lee chia sẻ thêm

Những hình ảnh, video thu được cho thấy tế bào nguyên sinh - tế bào không có thành tế bào - của cây Arabidopsis, một loài thực vật có hoa thuộc họ cải, mọc hỗn loạn các sợi xenluloza dần dần tự lắp ráp thành một mạng lưới phức tạp trên bề mặt tế bào bên ngoài.

"Tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy những cấu trúc có trật tự xuất hiện từ điệu nhảy hỗn loạn của các phân tử khi lần đầu tiên nhìn thấy những hình ảnh video này", Lee, cũng là một giảng viên tại Viện Y sinh học định lượng, chia sẻ. "Tôi nghĩ rằng xenluloza thực vật sẽ được tạo ra theo cách có tổ chức hơn nhiều, như được mô tả trong sách giáo khoa sinh học cổ điển."

Để quan sát được quá trình hình thành xenluloza, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật kính hiển vi siêu phân giải tiên tiến và ít xâm lấn, gọi là kính hiển vi huỳnh quang phản xạ toàn phần bên trong. Kỹ thuật này cho phép họ chụp ảnh bề mặt dưới của tế bào một cách nhạy bén, đồng thời quay video trong 24 giờ mà không làm tẩy trắng và phá hủy tế bào.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một đầu dò có nguồn gốc từ enzyme vi khuẩn, có khả năng liên kết đặc hiệu với xenluloza, giúp làm cho các tế bào phát huỳnh quang và có thể quan sát được bằng kính hiển vi.

Nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác giữa ba phòng thí nghiệm tại Đại học Rutgers, đến từ các chuyên ngành khác nhau: Nghệ thuật và Khoa học, Kỹ thuật, khoa học Môi trường và Sinh học

Sự hợp tác này đã cho phép các nhà khoa học kết hợp kiến thức và kỹ năng từ nhiều lĩnh vực khác nhau, tạo nên một nghiên cứu toàn diện và sâu sắc.

"Công trình này là đỉnh cao của giấc mơ thời thơ ấu của Shishir Chundawat, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh hóa thuộc Trường Kỹ thuật Rutgers và là tác giả của nghiên cứu"

"Tôi luôn bị hấp dẫn bởi thực vật và cách chúng hấp thụ ánh sáng mặt trời qua lá thành các dạng cacbon khử như xenluloza tạo thành thành tế bào", Chundawat chia sẻ.

Nghiên cứu này không chỉ mang lại những hiểu biết mới về quá trình hình thành thành tế bào, mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

• Nông nghiệp: Hiểu biết sâu sắc về quá trình tổng hợp xenluloza có thể giúp phát triển các loại cây trồng khỏe mạnh hơn, tăng năng suất lương thực và giảm chi phí sản xuất.
• Công nghiệp: Xenluloza là một biopolymer dồi dào, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, quần áo, nhiên liệu sinh học, nhựa phân hủy sinh học và các sản phẩm y tế. Việc hiểu rõ hơn về quá trình hình thành xenluloza có thể giúp cải tiến quy trình sản xuất và tạo ra các sản phẩm mới có giá trị.
• Môi trường: Nghiên cứu này có thể đóng góp vào việc phát triển các phương pháp thiết kế cây trồng tốt hơn để thu giữ carbon, giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.