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中国科学家从植物细胞壁中发现了一篇《Science》,为高分子设计提供新的灵感!

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高分子科学前沿 2021-05-15 11:46

植物细胞壁是存在于植物细胞外围的一层厚壁,是区别于动物细胞的主要特征之一。细胞壁参与维持细胞的一定形态、增强细胞的机械强度,并且还与细胞的生理活动有关。植物的细胞壁是复杂的纳米纤维为基础构建的。但是,细胞壁的强度和延展性是如何从纳米级到中观级出现的,这个问题一直没有得到解决。

为了阐明纤维素基质多糖的机械作用,宾夕法尼亚州立大学张宿林教授Daniel J. Cosgrove院士团队建立了一个基于聚合物物理的粗粒模型该模型概括了表皮细胞壁的组装和拉伸力学方面的内容这个物理模型结合刚度、屈服和延伸性,为植物力学、生物学的基本问题提供了见解,并揭示了生物材料的设计原则。上述研究内容以“Molecular insights into the complex mechanics of plant epidermal cell walls“为题发表在最新一期《Science》期刊上。

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【洋葱细胞壁的CGMD模型设计和组装】

初级细胞壁控制着生长中的植物细胞的许多关键特征,包括大小、形状、生长、膨松关系、机械强度和对病原体的防御。细胞壁由三种独特的多糖(纤维素、半纤维素和果胶)组成,通常被组织成多层纳米结构,在每一层(片层)内,坚硬的纤维素纤维(约3纳米宽,传统上称为微纤维)形成一个网状的非共价网络,在片层之间沿着共同的方向排列。这种交叉层状结构与柔软且具有高度延展性的动物皮肤的网络结构、坚硬的鳞片、抗冲击的甲壳类角质层的Bouligand(螺旋状)结构形成对比,这类生物材料的研究揭示了微观结构如何影响宏观材料特性。但对于植物初级细胞壁,这种层次的结构-功能理解尚未实现。

了解力的分布、微纤丝的运动和壁结构在机械力作用下的重塑,可以为植物生长的力学生物学、对环境和生物胁迫的响应以及多功能材料工程提供见解。作者及团队着重研究了洋葱鳞片的外表皮壁作为初级细胞壁的关键优势,将它切割为厘米宽的皮,足够大,足够强,并进行力学测试,厚度仅为一个细胞壁厚(~7 μm)(图1A)。原子力显微镜(AFM)成像显示其交叉层状组织,并记录了纤维素微纤维在拉伸和酶松弛过程中的复杂纳米级运动。为了研究宏观尺度力学行为和微观尺度微纤丝运动之间的差距,作者开展了中尺度粗粒分子动力学(CGMD)模拟,并将这种建模方法与表皮壁的拉伸测试相结合,以观察原始细胞壁对拉力的复杂非线性响应的微观结构基础。

图1植物原细胞壁CGMD模型的组装。

【纤维素对非线性力学的影响】

作者用四层模型来代表聚层表皮壁,并比较其与实际壁的拉伸响应。薄片的纤维素取向被选择来代表纤维素角度的范围,同时近似于净各向同性结构。在等体积条件下进行单轴拉伸;图2A为应力-应变结果。这些图是初级细胞壁的特征,通常用于评估细胞壁的延伸性。研究发现,增加纤维素和基质多糖之间的结合能可以忽略细胞壁刚度的变化,而调整纤维素-纤维素相互作用可以调节菌株大于6%时的刚度(图2F)。增强纤维素-纤维素相互作用显著降低了塑性,表现为应力-应变斜率在6%应变以上的下降,延迟了其向更高应力。纤维素-纤维素相互作用主导了该壁模型的力学行为,与实验结果一致。纤维素的优势来自于它的高轴向刚度、低弯曲刚度和强侧向粘接。这些特性使纤维素微纤广泛聚集成横向粘结的束,形成强大的,高度各向异性的平面网络,直接传递张力之间的微纤。相比之下,基质多糖的熵弹性导致聚合物的刚度较低,网络稳定性较差,对拉伸力学的贡献较小。

图2原生细胞壁的应力-应变行为。

【管壁拉伸过程中微纤丝的运动】

在模拟具有不同纤维素取向的单一薄片时,作者观察到五种不同的纤维素微纤丝运动:(i)矫直,即端到端长度随着拉伸而增加(图3A);(ii)弯曲,端到端长度减小(图3B);(iii)滑动,对齐的微纤维彼此滑动(图3C);(iv)角重定向,微纤丝方向改变(图3D);(v)束的变化,微原纤维改变了它们的侧向联系。这些运动与AFM分析中检测到的拉伸表皮壁的运动相同。从几何角度来看,微纤丝角度介于30到60之间的薄片比微纤丝角度接近0或90的薄片经历了更大的重新取向(图3F)。在大菌株中,当微纤丝被拉得更近时,集体的再取向与增加的微纤丝捆绑有关(电影S2)。对于90°的微纤维,拉伸引起微纤维弯曲,但没有净角度的变化。图3G为应力-应变曲线,标注了微纤丝在拉伸过程中的主要运动模式。微纤丝矫直主要发生在坡面增加阶段,而滑动主要发生在坡面减少后期阶段。矫直到滑动转变发生在具有较大初始取向角的板层中较大的临界应变,但在相同的应力阈值下。

图3单片层单向拉伸过程中纤维素微纤维的明显运动。

综上所述,作者设计的物理模型成功地将多糖组装成类似于实际表皮壁的结构,具有超分子形态和复杂拉伸行为。作者通过阐明壁面应力是如何在微尺度下传递和在壁面内分布的,为壁面应力如何与微管组织相关的机制研究提供了物理框架,同时也阐明了壁应力、层状应力和纤维素微纤维的应力(可以比壁应力大两个数量级)之间的区别。植物表皮细胞壁巧妙的微观结构和构造为设计具有多功能用途的坚固和可扩展的纤维材料提供了方法。

全文链接:

https://science.sciencemag.org/content/372/6543/706

来源:高分子科学前沿

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