Um grupo de cientistas alcançou um marco importante ao registrar, pela primeira vez, imagens contínuas e em tempo real da celulose a ser produzida e a se auto-organizar na complexa “armação” que dá forma às células vegetais.
Com técnicas avançadas de microscopia e um sistema de imagem construído sob medida, a equipa acompanhou durante 24 horas esse processo de construção celular em células vegetais vivas. O estudo trouxe revelações inesperadas sobre a forma como as paredes celulares das plantas são formadas.
A pesquisa, liderada pela Rutgers University–New Brunswick, oferece uma visão sem precedentes do comportamento da celulose - o biopolímero mais abundante do planeta.
Além disso, os resultados apontam caminhos para o desenvolvimento de culturas agrícolas mais fortes e resistentes, biocombustíveis mais baratos, plásticos biodegradáveis e outros produtos sustentáveis.
Um olhar de perto nas células vegetais e na celulose
A celulose é um componente essencial das paredes celulares das plantas e tem papel decisivo na manutenção da estrutura vegetal. Fora do laboratório, também é uma matéria-prima valiosa presente em inúmeros itens do dia a dia, desde papel e vestuário até espessantes alimentares e materiais de filtragem.
Sang-Hyuk Lee, professor associado do Departamento de Física e Astronomia da Rutgers e coautor do estudo, contextualizou a importância do avanço.
“Este trabalho é a primeira visualização direta de como a celulose é sintetizada e se auto-organiza numa rede densa de fibrilas na superfície de uma célula vegetal, desde a primeira observação microscópica das paredes celulares feita por Robert Hook em 1667”, explicou Lee.
“Este estudo também fornece percepções totalmente novas sobre como mecanismos físicos simples e básicos, como difusão e auto-organização, podem levar à formação de redes complexas de celulose nas células.”
Os vídeos produzidos pela equipa de Lee mostram protoplastos - células vegetais com as paredes externas removidas - de Arabidopsis, uma planta aparentada do repolho, a iniciar espontaneamente a formação de filamentos de celulose.
A partir da superfície celular, esses filamentos avançam para fora em padrões aparentemente caóticos e, com o tempo, vão-se juntando até formar a estrutura altamente organizada de uma nova parede celular.
“Fiquei muito surpreendido com o surgimento de estruturas ordenadas a partir da dança caótica das moléculas quando vi estas imagens em vídeo pela primeira vez”, disse Lee.
“Eu imaginava que a celulose das plantas seria produzida de um modo muito mais organizado, como é retratado nos livros clássicos de biologia.”
Um esforço de equipa entre disciplinas
O resultado é fruto de mais de seis anos de colaboração entre três laboratórios da Rutgers, reunindo competências de física, engenharia e biologia vegetal. Cada grupo foi determinante para viabilizar o projeto.
Quando os microscópios laboratoriais tradicionais se mostraram insuficientes para captar os detalhes finos da formação da celulose, Lee criou um sistema especializado com base em microscopia de fluorescência por reflexão interna total.
Essa abordagem permitiu aos investigadores observar a parte inferior da célula com alta resolução por longos períodos, sem danificar as amostras.
Em paralelo, Shishir Chundawat, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Bioquímica da Rutgers, coordenou a criação de um sistema de sonda fluorescente que marcou as moléculas de celulose, tornando possível visualizá-las ao microscópio.
Como observar plantas a construir paredes celulares
Para desenvolver a marcação, a equipa dele recorreu a uma enzima bacteriana modificada, capaz de se ligar especificamente à celulose.
“Sempre fui fascinado pelas plantas e por como elas capturam a luz do sol pelas folhas e a transformam em formas de carbono reduzido, como a celulose, que compõe as paredes celulares”, afirmou Chundawat, que também atua no desenvolvimento de biocombustíveis e bioprodutos.
“Fui inspirado ao colecionar folhas quando era aluno do ensino fundamental. Essa curiosidade inicial levou-me a aprofundar-me na biomassa e no seu potencial para criar produtos valiosos e sustentáveis.”
Eric Lam, professor do Departamento de Biologia Vegetal, e a sua equipa elaboraram o protocolo para isolar os protoplastos - células desprovidas das paredes originais.
Isso criou uma base “limpa” para acompanhar, em tempo real, o aparecimento e a evolução de novas fibras de celulose à medida que surgiam.
“Isso forneceu pouca ou nenhuma celulose de fundo que pudesse confundir a nossa visualização e o rastreio da celulose recém-sintetizada em condições otimizadas”, explicou Lam.
Implicações para a agricultura e os biocombustíveis
Espera-se que as novas descobertas orientem futuros esforços genéticos e biotecnológicos para aumentar a produção de celulose em culturas agrícolas - com ganhos em características como resistência à seca, captura de carbono e eficiência na conversão de biomassa em combustível.
“Esta descoberta abre a porta para que os investigadores comecem a dissecar os genes que podem desempenhar vários papéis na biossíntese de celulose na planta”, disse Lam.
“O conhecimento obtido nesses estudos futuros fornecerá novas pistas para abordagens que permitam desenhar plantas melhores para a captura de carbono, aumentar a tolerância a todos os tipos de stresse ambiental, da seca às doenças, e otimizar a produção de biocombustíveis celulósicos de segunda geração.”
Um novo capítulo na biologia vegetal
O trabalho da equipa da Rutgers contraria a narrativa tradicional dos livros didáticos, que descreve uma montagem ordenada da celulose, ao mostrar que um movimento inicialmente desorganizado acaba por se organizar e formar a estrutura indispensável da parede celular.
Esse resultado acrescenta camadas à compreensão da biologia vegetal e pode incentivar novos cientistas a examinar, de forma literal e figurada, processos invisíveis que sustentam a vida na Terra.
Animações voltadas a estudantes mais jovens muitas vezes simplificam como as paredes celulares são produzidas, mas a investigação da Rutgers indica que o processo real é muito mais intricado - e muito mais belo.
Crédito da imagem: Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Laboratórios Chundawat, Lee e Lam
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