Científicos presencian por primera vez cómo las células vegetales producen celulosa y levantan paredes celulares
Un equipo de Rutgers ha logrado lo impensable: grabar durante veinticuatro horas el nacimiento de la pared celular en plantas vivas. Esta proeza revoluciona nuestros conocimientos sobre la celulosa y abre la puerta a cultivos más resistentes y biocombustibles sostenibles.
Por Enrique Coperías
Representación artística de la celulosa regenerándose en la superficie celular de un protoplasto vegetal. La celulosa se sintetiza mediante complejos enzimáticos unidos a la membrana plasmática (verde) y se ensambla en una red de microfibrillas (marrón), formando el andamio principal de la pared celular. Cortesía: Ehsan Faridi / Inmywork Studio / Chundawat, Lee and Lam Labs
En un estudio pionero sobre la síntesis de celulosa —uno de los principales componentes de las paredes celulares vegetales—, un equipo de investigadores de la Universidad de Rutgers-New Brunswick, en Estados Unidos, ha conseguido captar imágenes continuas durante veinticuatro horas del proceso microscópico de construcción de la pared celular en células vegetales vivas.
Este avance proporciona información crucial que podría impulsar el desarrollo de plantas más resistentes, con el potencial de mejorar la producción de alimentos y generar biocombustibles más asequibles.
El hallazgo, publicado en la revista Science Advances, revela un proceso dinámico nunca observado, con posibles aplicaciones prácticas en productos derivados de plantas, como textiles de mayor calidad, biocombustibles, plásticos biodegradables y nuevos materiales médicos.
Además, los científicos afirman que este trabajo contribuirá al conocimiento fundamental sobre la formación de las paredes celulares y ofrecerá una nueva perspectiva sobre este proceso clave del mundo vegetal.
Cómo se sintetiza la celulosa, al desnudo
Este logro es el resultado de más de seis años de colaboración entre tres laboratorios de disciplinas complementarias en Rutgers: la Facultad de Artes y Ciencias, la Facultad de Ingeniería y la Facultad de Ciencias Biológicas y Medioambientales.
«Este trabajo representa la primera visualización directa de cómo la celulosa se sintetiza y se autoensambla en una densa red de fibrillas en la superficie de una célula vegetal, desde la observación microscópica inicial de las paredes celulares realizada por Robert Hook en 1667», dice Sang-Hyuk Lee, profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía y autor del estudio, en un comunicado de la Universidad de Rutgers.
En palabras de Lee, «también ofrece nuevos conocimientos sobre cómo mecanismos físicos simples, como la difusión y la autoorganización, pueden dar lugar a complejas redes de celulosa en las células».
Un vídeo time-lapse que muestra células de Arabidopsis generan fibrillas de celulosa. Cortesía: Lee Lab/Rutgers University
Del caos al orden molecular
Las imágenes de vídeo, obtenidas mediante microscopía avanzada, muestran protoplastos –células vegetales sin pared– de Arabidopsis, un género de planta emparentado con la col, a partir de los cuales brotan desordenadamente filamentos de celulosa que se autoensamblan gradualmente hasta formar una intrincada red sobre la superficie celular.
«Cuando vi por primera vez estas imágenes, me sorprendió enormemente la aparición de estructuras ordenadas a partir de una danza caótica de moléculas —comentó Lee, también miembro del Instituto de Biomedicina Cuantitativa. Y continúa—: Imaginaba que la formación de celulosa vegetal sería mucho más organizada, como lo presentan los libros clásicos de biología».
La celulosa es el biopolímero más abundante de la Tierra. Este carbohidrato estructural está formado por largas cadenas de moléculas de glucosa, y constituye el componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas. Su función es dar rigidez y soporte a las células vegetales, y permite que las plantas mantengan su forma.
Los humanos no podemos digerirla
Además de su papel biológico, la celulosa tiene múltiples usos industriales: se emplea en la fabricación de papel, textiles, bioplásticos, biocombustibles, filtros y como aditivo alimentario por su capacidad espesante; la encontramos en el yogur o los helados. Aunque los humanos no podemos digerirla, es una fuente clave de fibra dietética.
«Este descubrimiento abre la puerta a explorar qué genes podrían estar involucrados en la biosíntesis de la celulosa en las plantas —indica Eric Lam, profesor distinguido del Departamento de Biología Vegetal de la Facultad de Ciencias Biológicas y Ambientales y también autor del estudio.
El profresor Lam además cree que «la información que surja de futuros estudios proporcionará pistas valiosas para diseñar plantas con mejor capacidad de captura de carbono, mayor tolerancia a condiciones ambientales adversas, como la sequía o enfermedades, y una producción optimizada de biocombustibles celulósicos de segunda generación».
Hacia nuevas formas sostenibles de producir biocombustibles
El trabajo también representa la realización de un sueño infantil para Shishir Chundawat, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica de la Escuela de Ingeniería de Rutgers y coautor del estudio.
«Siempre me ha fascinado cómo las plantas captan la luz solar a través de sus hojas y la convierten en formas reducidas de carbono, como la celulosa que forma sus paredes celulares», explica Chundawat, que planea investigar nuevas formas sostenibles de producir biocombustibles y productos bioquímicos a partir de materias primas como plantas terrestres y algas marinas.
«Recuerdo que en secundaria recogí muchas hojas de distintas formas y colores para un proyecto científico, y sentí una gran curiosidad por entender cómo las plantas generan tanta complejidad y diversidad —confiesa Chundawat. Y añade—: Esa experiencia me inspiró a profundizar en los procesos fundamentales de producción de biomasa y su aprovechamiento mediante ingeniería sostenible para generar bioproductos en beneficio de la sociedad».
Representación artística de la biosíntesis de la celulosa, ampliada. Las cadenas individuales de celulosa (marrón oscuro) son sintetizadas por complejos enzimáticos de celulosa sintasa (crema) unidos a la membrana plasmática (púrpura,) y se asocian en fibrillas elementales (marrón claro) que luego se ensamblan en una red de microfibrillas, formando el andamiaje principal de la pared celular. Cortesía: Ehsan Faridi / Inmywork Studio / Chundawat, Lee and Lam Labs
Un microscopio diseñado para la ocasión
Los tres equipos de investigación realizaron aportes únicos y fundamentales. Cuando los microscopios tradicionales ofrecían imágenes borrosas del proceso de formación de la pared celular, el equipo recurrió a una técnica avanzada y mínimamente invasiva llamada microscopía de fluorescencia de reflexión interna total.
Esta técnica, que permite captar imágenes exclusivamente de la superficie inferior de las células, fue lo suficientemente sensible para registrar vídeos durante veinticuatro horas sin dañar ni decolorar las muestras.
Lee, biofísico y especialista en técnicas de microscopía de alta resolución, diseñó un microscopio personalizado para este estudio y lideró el trabajo de obtención de imágenes. Chundawat, por su parte, encabezó un equipo que desarrolló una técnica pionera para etiquetar los filamentos emergentes de celulosa con proteínas fluorescentes.
Levantando paredes de celulosa
Chundawat, experto en bioingeniería, ingeniería de proteínas y glucociencias —el estudio de carbohidratos complejos como la celulosa–, diseñó con su equipo una sonda fluorescente derivada de una enzima bacteriana modificada que era capaz de unirse específicamente a la celulosa y hacer visibles los procesos celulares al microscopio.
Por su parte, Lam, especialista en genética vegetal y biotecnología, y su grupo desarrollaron un método para eliminar la pared celular de células individuales de Arabidopsis, generando así una pizarra en blanco sobre la que los protoplastos pudieran sintetizar nuevas paredes celulares.
«Esto nos permitió trabajar prácticamente sin celulosa de fondo, evitando interferencias en la visualización y seguimiento de la celulosa recién formada bajo condiciones optimizadas», dice Lam. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Rutgers-New Brunswick
Fuente: Hyun Huh et al. Time-resolved tracking of cellulose biosynthesis and assembly during cell wall regeneration in live Arabidopsis protoplasts. Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.ads6312
