Internasjonalt team visualiserer egenskapene til plantecellevegger på nanoskala

For å optimalisere biomaterialer for pålitelig, kostnadseffektiv papirproduksjon, bygningskonstruksjon og utvikling av biodrivstoff, studerer forskere ofte strukturen til planteceller ved å bruke teknikker som å fryse planteprøver eller plassere dem i et vakuum. Disse metodene gir verdifulle data, men forårsaker ofte permanent skade på prøvene.

Et team av fysikere inkludert Ali Passian, en forsker ved Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory, og forskere fra det franske nasjonale senteret for vitenskapelig forskning, eller CNRS, brukte toppmoderne mikroskopi- og spektroskopimetoder for å gi ikke-destruktiv alternativer. Bruker en teknikk som kalles spredningstype skanning nærfelt optisk mikroskopiundersøkte teamet sammensetningen av cellevegger fra unge poppeltrær uten å skade prøvene.

Men laget hadde fortsatt andre hindringer å overvinne. Selv om plantecellevegger er notorisk vanskelige å navigere på grunn av tilstedeværelsen av komplekse polymerer som mikrofibriller – tynne tråder av biomasse som Passian beskriver som en labyrint av sammenflettede spaghettistrenger – laget nådde en oppløsning bedre enn 20 nanometer, eller omtrent tusen ganger mindre enn en tråd av menneskehår. Denne detaljerte oversikten gjorde det mulig for forskerne å oppdage optiske egenskaper til plantecellematerialer for første gang på tvers av store og små regioner, helt ned til bredden av en enkelt mikrofibril. Resultatene deres ble publisert i Kommunikasjonsmateriell.

“Teknikken vår tillot oss å se på prøvens morfologi og optiske og kjemiske egenskaper på nanometrisk skala – alt innenfor samme måling,” sa Passian.

Sammen med ORNL og CNRS inkluderte teamet forskere fra Aix-Marseille University, Interdisciplinary Nanoscience Center of Marseille og Fresnel Institute og Tysklands Neaspec GmbH.

“Til nå, disse optiske egenskaper ble ikke målt in situ, men bare fra ekstraherte komponenter, som ikke gir informasjon i sammenheng med strukturelle og kjemiske egenskaper,” sa Fresnel Institute-forsker Aude Lereu.

Ved å bruke måleteknikken deres for å få en serie med detaljerte bilder i ett område av poppelvedcelleveggen, observerte teamet også fordelingen av strukturelle polymerer som lignin og cellulose, som er harde stoffer som fungerer som “bein” av biologiske systemer og kan utvinnes og omdannes til biodrivstoff og bioprodukter.

Disse dataene kan brukes til å forbedre kjemiske behandlinger som bruker syrer eller enzymer for å øke polymerutbyttet og forhindre at biomaterialer brytes ned når de utsettes for eksterne faktorer, som sopp eller fuktighet. Fordi poppelprøvene allerede hadde vært gjennom en delignifiseringsprosess, var forskerne i stand til å finne både harmløse og potensielt skadelige komposisjonsendringer.

“Når du endrer et materiale, er det viktig å overvåke nøyaktig hvordan det endres på molekylært nivå,” sa Passian. “Ved å bruke vår teknikk på et forbehandlet poppeltreprøve, var vi i stand til å studere prøven mens vi holdt styr på eventuelle endringer som kan påvirke dens levedyktighet.”

Forskerne valgte poppel som et representativt system fordi disse trærne vokser raskt og krever lite vedlikehold, men teknikken som brukes på poppel kan gi tilsvarende detaljerte data om mange andre planter, som forskerne kan bruke for å forbedre effektiviteten til behandlinger og konstruere ideelle biomaterialer.

“Teknikken vår avslørte at noen typer lignin ikke ble fullstendig fjernet under delignifisering, og disse dataene kan bidra til å optimalisere prosessen og bidra til en bedre forståelse av lignin-resalcitranse,” sa Lereu.

Teknikken kan også vise seg å være gunstig for feltet additiv produksjon, eller 3D-utskrift, som involverer stabling av lag med materialer for å lage et bredt utvalg av objekter, fra falsk fisk til romfartøyskomponenter. Under utskriftsprosessen, som Passian beskriver som en mer kompleks versjon av sprøyting av frosting på en kake med en konditorpose, måleteknikk kunne legge til et lag med kvalitetskontroll for å minimere menneskelige feil, korrigere materialfordeling og fjerne eventuelle forurensninger i sanntid.

Å få et sete på første rad til subtile endringer i planteceller utgjorde en utfordring, men Passian forventer at innlemming av kvantemekaniske prinsipper i mikroskopieksperimenter kan tillate forskere å sikre seg et enda nærmere syn uten å skade delikate biologiske prøver.

“Under veien kan kvantevitenskap bidra til å omgå barrierene til klassiske teknikker for å forbedre oppløsningen av disse målingene ytterligere,” sa han.

---

---