由羅格斯大學生物物理學家、生物工程師和植物生物學家組成的團隊取得了具有廣闊實際應用前景的突破，他們捕捉了第一批即時影像。在一項開創性研究中，羅格斯大學新不倫瑞克分校的研究人員利用活體植物細胞，連續24小時捕捉了纖維素合成（植物細胞壁的建造過程）的圖像。

纖維素生物合成的藝術渲染圖（放大圖）。單一纖維素鏈（深棕色）由質膜結合（紫色）的纖維素合成酶複合物（乳白色）合成，並結合形成基本原纖維（淺棕色），進一步組裝成微原纖維網絡，構成細胞壁的主要支架。圖片來源：Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Chundawat， Lee and Lam Labs

這是首次即時觀察到細胞壁構建的動態過程，為培育更具抗逆性的作物、提高糧食產量和降低生物燃料成本提供了重要的見解。

這項研究發表在《科學進展》雜誌上，揭示了前所未有的細胞活動，並為先進紡織品、可生物降解塑膠、改良生物燃料和醫療創新等領域的實際應用開闢了新的可能性。研究人員表示，這些發現也加深了對植物細胞壁形成機制的根本理解。

這項發現是羅格斯大學三個實驗室六年多跨學科合作的成果，並借鑒了文理學院、工程學院和環境與生物科學學院的專業知識。

植物原生質體細胞表面纖維素再生的藝術渲染圖（縮小視圖）。纖維素由質膜結合酶複合物（綠色）合成，並組裝成微纖維網絡（棕色），構成細胞壁的主要支架。圖片來源：Ehsan Faridi/ Inmywork Studio/ Chundawat， Lee and Lam Labs

「自從1667年羅伯特·胡克首次在顯微鏡下觀察細胞壁以來，這項研究首次直接可視化了纖維素如何在植物細胞表面合成並自組裝成緻密的纖維網絡，」該研究的作者、物理與天文系副教授李相赫說道。 “這項研究還提供了全新的見解，讓我們了解諸如擴散和自組織等簡單、基本的物理機制如何導致細胞中復雜的纖維素網絡的形成。”

顯微鏡產生的視訊影像顯示，捲心菜的近親、開花植物擬南芥的原生質體（去除了細胞壁的細胞）混亂地長出纖維素纖維細絲，這些細絲逐漸在細胞外表面自組裝成複雜的網絡。

“當我第一次看到這些視頻圖像時，我驚訝地發現，從混亂的分子舞動中，竟然出現了有序的結構，”定量生物醫學研究所的李教授說道，“我原以為植物纖維素的生成方式會更加有序，就像傳統生物學教科書裡描述的那樣。”

一段延時影片展示了擬南芥細胞如何生成纖維素原纖維。圖片來源：Lee Lab/羅格斯大學

纖維素是地球上最豐富的生物聚合物（生物體自然產生的大分子）。纖維素是一種碳水化合物，是植物細胞壁的主要結構成分，廣泛應用於工業生產，包括紙張和服裝等一系列產品。它也用於過濾，更有效地捕獲大顆粒並增強流動性，並用作優格和冰淇淋等食品的增稠劑。

「這項發現為研究人員開啟了大門，讓他們能夠開始剖析可能在植物纖維素生物合成中發揮各種作用的基因，」羅格斯大學環境與生物科學學院植物生物學系傑出教授、該研究的作者埃里克·拉姆（Eric Lam）說道。 “從這些未來研究中獲得的知識將為設計更好的碳捕獲植物、提高對從乾旱到疾病等各種環境壓力的耐受性以及優化第二代纖維素生物燃料生產的方法提供新的線索。”

這項工作是羅格斯大學工程學院化學與生物化學工程系副教授兼該研究的作者Shishir Chundawat 童年夢想的頂峰。

「我一直對植物以及它們如何透過葉片吸收陽光，將其轉化為纖維素等還原碳形式並最終形成細胞壁的過程非常著迷，」Chundawat說。她計劃探索利用陸生植物和海洋藻類等多樣化原料生產新型永續生物燃料和生物化學品的新方法。 「我記得中學時期，為了寫科學課報告，我收集了許多形狀、大小和顏色各異的葉子，當時我非常好奇植物是如何在自然界中創造出如此復雜多樣的生物的。那段經歷激勵我深入研究生物質生產的基本現象及其利用，並利用可持續工程技術生產出有價值的生物產品，造福社會。”

一些動畫可以幫助小學生更好地了解植物，但羅格斯大學的研究表明，纖維素的合成和細胞壁的形成過程要複雜得多。圖片來源：羅格斯大學

三個研究團隊的科學家都做出了獨特而關鍵的貢獻。

由於傳統實驗室顯微鏡無法提供細胞壁構建過程的模糊圖像，該團隊轉而採用一種先進的超解析度和微創技術——全內反射式螢光顯微鏡。這種方法僅捕捉細胞底面的圖像，靈敏度足夠高，可以連續拍攝24小時的視頻，而不會漂白或破壞細胞。

李是一位生物物理學家，也是使用尖端顯微鏡技術研究生命系統的專家，他為該專案開發了一種客製化顯微鏡並監督了成像工作。

Chundawat 領導的團隊率先開發出一種技術，讓科學家能夠用螢光蛋白染料標記新生的纖維素卷鬚。

Chundawat是一位生物工程師，也是蛋白質工程和糖科學（研究纖維素等複雜碳水化合物）的專家。為了使細胞發出螢光並可被顯微鏡檢測到，他和他的團隊開發了一種探針，該探針源自於專門與纖維素結合的工程細菌酶。

植物遺傳學和生物技術專家林博士和他的團隊找到了一種方法，可以去除擬南芥單一細胞的細胞壁，從而為原生質體細胞鋪設新的細胞壁創建一個「空白板」。

「這幾乎沒有提供任何背景纖維素來混淆我們在優化條件下對新合成纖維素的可視化和追踪，」Lam說。

編譯自/ ScitechDaily