洋蔥表皮，帶來材料研發(fā)新靈感

植物細(xì)胞壁的力學(xué)特性長期以來令人著迷：既具有足以支撐植物形態(tài)的強(qiáng)度，又能在不破裂的前提下延伸，對應(yīng)力的非線性響應(yīng)方式甚至能夠主動變化以適應(yīng)植物在不同階段的生長需求。這些特性都是新型材料設(shè)計研發(fā)者們夢寐以求的。但即使是在明確發(fā)現(xiàn)了這些特性的80年后，科學(xué)家們?nèi)圆磺宄鼈兊某梢?。最近，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的一項研究對細(xì)胞壁進(jìn)行了建模，向揭開植物細(xì)胞壁獨特力學(xué)性能背后的秘密邁進(jìn)了一大步。

該項研究從全新的角度審視了植物細(xì)胞壁。研究者們發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞壁強(qiáng)度高、延伸性好的力學(xué)性能主要歸功于細(xì)胞壁內(nèi)纖維素框架的運(yùn)動。細(xì)胞壁內(nèi)的纖維素聚集成束保證了強(qiáng)度，同時可以在細(xì)胞拉伸時彼此滑動，帶來了延展性。這一研究幫助生物學(xué)家更好地理解了植物細(xì)胞的生長過程，并有望為具有更好的強(qiáng)度與延展性的高分子材料提供設(shè)計靈感。

“長久以來，對于植物細(xì)胞壁最普遍的認(rèn)識是‘細(xì)胞壁是由纖維素加固的膠質(zhì)，如同由鋼筋加固的混凝土，”賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物學(xué)教授、這一研究的作者 Daniel Cosgrove 說，“但我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)并非如此。纖維素鏈粘連成束，纖維束形成了網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度比桿狀纖維懸浮在膠質(zhì)中的結(jié)構(gòu)高得多。而在細(xì)胞受到拉伸時，有效地限制細(xì)胞壁擴(kuò)展的并非其他成分，正是彼此間能夠發(fā)生滑動的纖維鏈。”

過去對植物細(xì)胞壁進(jìn)行的建模研究尺度不是過大就是過?。阂磸暮暧^入手，并未整合單個細(xì)胞的行為;要么從原子水平入手，不能關(guān)注細(xì)胞壁實際的力學(xué)特征。在這項研究中，研究者在細(xì)胞壁所含的聚合物（纖維素和其他糖分子的長鏈）水平上應(yīng)用了粗粒度計算模型，使用類似彈簧的珠鏈結(jié)構(gòu)而非單原子建模來表征纖維等成分，希望能準(zhǔn)確復(fù)制其物理特性。

Cosgrove 說：“與其他模型不同，我們還對分子間的非共價鍵進(jìn)行了建模，顯示出分子相互粘附的趨勢，這使得我們能夠研究鏈之間的相互作用。”

團(tuán)隊對洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，以將模型給出的力學(xué)特性與洋蔥皮實驗得到的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。通過以多種方式拉伸洋蔥細(xì)胞壁，研究者探索了其獨特力學(xué)特性背后的結(jié)構(gòu)。

“植物細(xì)胞壁很獨特，它需要足夠堅固，為植物提供保護(hù)和支持作用，但又要同時具有延展性，使自身能夠在植物生長時擴(kuò)展?！边@項研究的第一作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物博士后研究者 Yao Zhang 說，“我們發(fā)現(xiàn)纖維素的微纖維承擔(dān)了大部分的張力，這是維持細(xì)胞壁強(qiáng)度和延展性的關(guān)鍵。”

研究者確認(rèn)了纖維素的單個纖維之間的并列粘附關(guān)系。在纖維束形成的網(wǎng)絡(luò)中，超細(xì)纖維會在細(xì)胞被拉伸時伸縮式滑動，將力在網(wǎng)絡(luò)中傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致了細(xì)胞的延伸。

“早在很久以前，研究者們就已經(jīng)在干、濕等不同條件下，對植物細(xì)胞壁的應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)性能的變化進(jìn)行了測量。”Cosgrove 說，“但直到現(xiàn)在，我們都沒有在分子水平上對這些測量結(jié)果進(jìn)行解釋。在這一研究中，我們闡明了植物細(xì)胞壁中各成分的作用，并為植物研究中解釋性的實驗提供了定量框架?！?/p>

對于那些研究植物細(xì)胞壁特性及其調(diào)節(jié)機(jī)制的課題來說，這項研究提出的見解可能尤其有用。例如，莖部新芽在春季迅速伸長，而果實卻會長成球形。

研究人員希望將研究模型的適用范疇進(jìn)一步擴(kuò)展，用來模擬其他植物物種的細(xì)胞壁，同時將模擬規(guī)模擴(kuò)展到整個細(xì)胞。

“從細(xì)胞壁所具有的強(qiáng)度和延展性這一點來看，人類技術(shù)目前還無法與大自然相提并論?！盰ao 說，“植物細(xì)胞壁的鬼斧神工或許將為綠色材料多種多樣的設(shè)計與應(yīng)用提供新的啟示?！?/p>