Fascinující rostlinný cytoskelet

Kvůli tomu závisí na rostlinách většina současných ekosystémů naší planety. Rostliny samozřejmě buněčné stěny nevytvářejí kvůli tomu, aby pro ostatní obyvatele planety Země ukládaly energii. Buněčné stěny mají zásadní význam v konstrukci rostlinných mnohobuněčných organismů a jsou hlavním důvodem, proč se zjevem i životní strategií od ostatních mnohobuněčných organismů zásadně liší. Velice důležitou roli zde hraje cytoskelet – proteinová struktura, která se nachází ve všech eukaryotických buňkách. Skládá se z mikrotubulů a aktinových filamentů, jež společně tvoří trojrozměrnou síť spojenou s mnoha buněčnými procesy. V případě rostlin má ovšem řadu zajímavých specifik, která přitahují pozornost vědců.

Inovace ze světa rostlin

Aktinové filamenty a mikrotubuly rostlinného cytoskeletu vznikají stejně jako v případě jiných eukaryotických buněk polymerací z podjednotek aktinu a tubulinu. Podjednotky i samotné polymerní struktury jsou totiž nesmírně konzervované napříč organismy jak na úrovni sekvenční, tak i strukturní. Proto je z hlediska fungování cytoskeletu i z hlediska evolučního velice důležité pochopit, jaké novinky do tohoto jinak dost stabilizovaného světa vnesly rostliny.

Jejich hlavní specialitou je nepochybně organizace cytoskeletu. Během interfáze (v období mezi dvěma děleními buňky) vznikají v rostlinných buňkách těsně u plazmatické membrány paralelně uspořádaná vlákna, tzv. kortikální mikrotubuly. Primární rolí těchto mikrotubulů je usměrňování pohybu molekulárních továren na syntézu celulózy, kterými jsou celulóza syntázového proteinového komplexu v plazmatické membráně. Tato role je také pravděpodobně hlavním důvodem, proč se pro rostliny stal nepotřebným mechanismus centrální regulace mikrotubulů pomocí centrozomů.

Neustálý pohyb

Společnou prací dynamických a stále se přestavujících kortikálních mikrotubulů a celulóza syntáz je do buněčné stěny kontrolovaně ukládána celulóza, základní komponenta zodpovědná za pevnost buněčných stěn. Mechanismus přestavby mikrotubulů, který musí umět rychle odpovědět na někdy i jen lokální potřeby rostoucích buněk, je fascinující proces, závisející na celé řadě proteinů, které musely rostliny pro tento účel vyvinout zcela nově.

Protože cytoplazma expandujících buněk je velkou centrální vakuolou často „zatlačena“ do tenké vrstvy pod plazmatickou membránou, máme mnohé tamní procesy při pozorování v konfokálním mikroskopu tak říkajíc jako na dlani. Díky pokročilým technologiím lze detekovat dynamickou přestavbu mikrotubulů, ale i dynamiku aktinového cytoskeletu, která je mnohonásobně větší než u mikrotubulů. Zatímco mikrotubuly polymerují rychlostí cca 0,2–0,4 μm/s, polymerace aktinu dosahuje v rostlinách rychlosti až 2 μm/s.

Stále nové otázky

Při trochu bližším pohledu do kortikální cytoplazmy ovšem vyvstává celá řada otázek, na které se vědci, mezi nimi i pracovníci katedry experimentální biologie rostlin PřF UK (KEBR), snaží najít odpověď: Co určuje, kde bude cytoskelet polymerovat a jak rychle? Jak bude výsledná 3D síť vypadat a proč je vlastně nutná neustálá dynamická přestavba polymerů? Je pravděpodobné, že při hledání odpovědí čekají na vědce vzrušující objevy. Vždyť minimálně v případě aktinové dynamiky je díky pokročilým detektorům na nejlepších mikroskopech zřejmé, že ještě zdaleka nejsou schopni vidět vše, co se v rostlinách odehrává, a mnohé zůstává kvůli rychlosti procesů na úrovni jednotlivých molekul utajeno.
V posledních letech sice byl díky novým technologiím učiněn zásadní pokrok v porozumění struktuře a funkci buněčných stěn a roli cytoskeletu, mnohé aspekty mechanické pevnosti, flexibility, chemického složení a schopnosti modulace buněčných stěn jsou však nadále záhadou. Vědci například stále zkoumají, jaké další cytoskeletální funkce kromě kortikálních mikrotubulů se podílejí na stavbě buněčných stěn, kompozitních polysacharidových struktur tak charakteristických pro rostliny. V řadě výzkumů příliš nepomáhají ani znalosti z jiných organismů, protože rostliny si to zkrátka dělají po svém. Překvapivým zjištěním tak například bylo, že mechanismus nukleace aktinu, tedy mechanismus výstavby polymerů de novo z monomerů, který využívá konzervovaný proteinový komplex Arp2/3, se v rostlinných buňkách unikátně podílí na recyklaci organel zvaných peroxizomy.

Pokud někdy budete (a my doufáme, že ano) v budově ve Viničné 5, kde KEBR sídlí, stát v chodbě, která má velmi podobný tvar jako pokožková buňka hypokotylu Arabidopsis, našeho modelového organismu, můžete si zkusit představit, jak mikrotubuly o průměru obyčejného brčka pomáhají na plazmatické membráně pomocí celulóza syntáz o průměru obyčejné tužky budovat buněčnou stěnu, která by obalila celou buňku-chodbu a v tomto měřítku by pak měla tloušťku ne více než 18 cm! A že jen takto tenký polysacharidový matrix dokáže buňce poskytnout dostatečnou pevnost a flexibilitu pro další růst. Alespoň tak jsme to spočítali se studenty našich praktik.