Dannelsen af træ kan nu følges i realtid - måske til gavn for både klima og byggebranchen
Når det er muligt for nogle træer at blive over 100 meter høje, skyldes det et komplekst biologisk ingeniørstykke. For det er ikke kun et spørgsmål om de rette mængder vand og lys, men også om at bygge cellevægge, der er stærke nok til både at holde træet oprejst og modstå det enorme pres, der dannes, når træet suger vand fra rødderne og helt ud til bladene.
Det er de såkaldte sekundære cellevægge i træer og planter, der klarer den opgave. Disse cellevægge, som vi også kender som ved eller træ, er opbygget af nogle særlige, raffinerede mønstre, der holder væggene stærke og forbinder de celler, der transporterer vand, med hinanden.
Men det har været lidt af et mysterium, hvordan mønstrene bliver til. Nu er mysteriet ved at løse sig. Det er nemlig for første gang været muligt at observere tilblivelsesprocessen inde i planten - endda i real-time. Et internationalt forskerhold, som bl.a. tæller professor Staffan Persson fra Københavns Universitet, har fundet en metode til at følge den biologiske proces live i et mikroskop.
Det åbner op for, at man kan ændre byggeprocessen og måske gøre planteveddet stærkere. Det vender vi tilbage til.
Et genteknologisk trick
Fordi ved dannes i væv dybt inde i planten, er det svært at observere byggeprocessen, da mikroskoper fungerer bedst på overfladen af et objekt. Derfor tog forskerne et genteknologisk trick i brug. Ved at modificere cellerne med en slags genetisk tænd-sluk-kontakt, kunne forskerne aktivere alle plantens celler til at producere vedcellevægge - også dem på overfladen. Dermed kunne de observere den detaljerede byggeproces i et mikroskop, direkte mens den foregik.
Vedcellevægge består hovedsageligt af cellulose, der bliver produceret af enzymer, der findes på overfladen af alle planteceller. Processen foregår groft sagt ved at små proteinrør - såkaldte mikrotubuli - danner et ordnet arrangement tæt på celleoverfladen. Proteinrørene fungerer som spor, der guider enzymerne til, hvor de skal aflejre byggemateriale til væggen.
– Man kan se byggeprocessen som et togsystem, hvor toget er enzymerne, der bevæger sig fremad, mens de producerer cellulosefibre. Mikrotubili styrer enzymernes retning ligesom togskinner. Under dannelsen af vedcellevæggene ændrer togskinnenettet - altså mikrotubuli - sin struktur fuldstændigt for at kunne danne de mønstrede cellevægge - det er den proces, vi nu kan følge direkte i vores mikroskoper, forklarer Staffan Persson fra Institut for Plante- og Miljøvidenskab.
Større træer og stærkere byggematerialer
– Vi har nu en bedre forståelse af de mekanismer, som får de her mikrotubili til at omarrangere sig, så mønstrene dannes, og vi kan tilmed simulere byggeprocessen på computer. Næste skridt er at finde måder, der gør det muligt at lave ændringer i systemet – for eksempel lave om på mønstrene, siger Staffan Persson.
Førsteforfatter René Schneider tilføjer:
– Ændrer man mønstrene, kan det ændre den måde, planten gror på eller distribuerer vand på, som så kan have indflydelse på plantens højde eller biomasse. Hvis man for eksempel kan lave træer, der ophober mere biomasse, kan det potentielt bidrage til at sænke hastigheden for, hvor hurtigt der akkumuleres CO2 i atmosfæren.
På lidt længere sigt er en af de mest oplagte anvendelsesmuligheder ifølge Staffan Persson at manipulere den biologiske proces til at udvikle stærkere eller nye typer byggematerialer af træ.
– Hvis vi både kan ændre cellevæggenes mønstre og cellevæggenes kemiske komposition, som vi og andre forskere allerede arbejder på, kan vi formentlig ændre træets styrke og porøsitet. Stærkere byggematerialer af træ er ikke kun fordelagtigt for byggebranchen, men også for miljø og klima. De har et mindre CO2-aftryk, en længere levetid og kan bruges til flere formål og i nogle tilfælde endda erstatte energitunge materialer som beton," siger Staffan Persson, som udover at være plantebiolog har en baggrund som bygningsingeniør.
Han peger også på fremtidig anvendelse inden for udvikling af cellulosebaserede nanomaterialer, som vinder mere og mere frem, bl.a. inden for medicin. Her bruger man fx nanomaterialer til at transportere lægemidler rundt i kroppen på en effektiv måde.
Disse ting ville dog først kræve mere viden om, hvordan man kan manipulere de sekundære cellevægge, og hvordan man kan bruge denne viden når det gælder træer, da meget af forskningen er foretaget på modelplanter såsom almindelig gåsemad, understreger både Staffan Persson og René Schneider.
Om studiet
Planters sekundære cellevægge sidder mellem den primære cellevæg og celleoverfladen. De dannes typisk, når den tyndere primære cellevæg er stoppet med at vokse. Ud over cellulose er en af hovedkomponenterne i væggen lignin, der udfylder hulrummene i cellulosen og dermed styrker væggen yderligere.
De sekundære cellevægge har to forskellige mønstre i to forskellige stadier af cellernes liv. Det første er et spiralmønster, der snoer sig rundt om cellen, og som gør væggene stærkere og tillader cellerne fortsat at kunne vokse. Det andet mønster er perforeret af en masse små huller. Dette mønster gør det ikke muligt for cellerne at vokse. Men fordi cellerne kan forbinde sig med hinanden gennem hullerne, kan de transportere vand fra en celle til den næste og den næste igen osv.
Førsteforfatter på studiet er René Schneider, der er tilknyttet University of Melbourne i Australien og Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie i Tyskland. Ud over Staffan Persson fra Københavns Universitet er forskningen udført af forskere fra Wageningen University, Holland; Nara Institute of Science and Technology, Japan; University of Tasmania, Australien og Shanghai Jiao Tong University i Kina.
Professor Staffan Persson er rekrutteret fra University of Melbourne i Australien i juli 2020 som modtager af bevillingerne Villum Investigator og NNF Laureate Research Grant. Persson er den nye leder af Copenhagen Plant Science Center (CPSC) og DNRF Chair på Institut for Plante- og Miljøvidenskab.