Internationaal team visualiseert eigenschappen van celwanden van planten op nanoschaal

Om biomaterialen te optimaliseren voor betrouwbare, kosteneffectieve papierproductie, bouwconstructie en ontwikkeling van biobrandstoffen, bestuderen onderzoekers vaak de structuur van plantencellen met behulp van technieken zoals het invriezen van plantenmonsters of het plaatsen ervan in een vacuüm. Deze methoden leveren waardevolle gegevens op, maar veroorzaken vaak blijvende schade aan de monsters.

Een team van natuurkundigen, waaronder Ali Passian, een onderzoekswetenschapper bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, en onderzoekers van het Franse nationale centrum voor wetenschappelijk onderzoek, of CNRS, gebruikten ultramoderne microscopie- en spectroscopiemethoden om niet-destructieve alternatieven. Met behulp van een techniek genaamd scattering-type scanning near-field optische microscopie, onderzocht het team de samenstelling van celwanden van jonge populieren zonder de monsters te beschadigen.

Maar het team had nog andere obstakels te overwinnen. Hoewel plantencelwanden notoir moeilijk te navigeren zijn vanwege de aanwezigheid van complexe polymeren zoals microfibrillen – dunne draden van biomassa die Passian beschrijft als een doolhof van met elkaar verweven spaghettislierten – bereikte het team een ​​resolutie die beter was dan 20 nanometer, of ongeveer duizend keer kleiner dan een lok mensenhaar. Dankzij deze gedetailleerde weergave konden de onderzoekers voor het eerst optische eigenschappen van plantencelmaterialen detecteren in grote en kleine regio’s, zelfs tot de breedte van een enkele microfibril. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Communicatiematerialen.

“Onze techniek stelde ons in staat om de morfologie en optische en chemische eigenschappen van het monster op nanometrische schaal te bekijken – allemaal binnen dezelfde meting,” zei Passian.

Samen met ORNL en CNRS omvatte het team onderzoekers van de Universiteit van Aix-Marseille, het Interdisciplinair Nanowetenschappelijk Centrum van Marseille en het Fresnel Instituut en het Duitse Neaspec GmbH.

“Tot nu toe werden deze optische eigenschappen niet in situ gemeten, maar alleen van geëxtraheerde componenten, die geen informatie verschaffen in de context van structurele en chemische eigenschappen”, zegt onderzoeker Aude Lereu van het Fresnel Instituut.

Door hun meettechniek te gebruiken om een ​​reeks gedetailleerde beelden te verkrijgen in één gebied van de populierenhoutcelwand, observeerde het team ook de verdeling van structurele polymeren zoals lignine en cellulose, harde stoffen die dienen als de “botten” van biologische systemen en kunnen worden gewonnen en omgezet in biobrandstoffen en bioproducten.

Deze gegevens kunnen worden gebruikt om chemische behandelingen te verbeteren die zuren of enzymen gebruiken om de polymeeropbrengsten te verhogen en te voorkomen dat biomaterialen worden afgebroken wanneer ze worden blootgesteld aan externe factoren, zoals schimmels of vochtigheid. Omdat de populierenmonsters al een delignificatieproces hadden ondergaan, konden de onderzoekers zowel onschadelijke als potentieel schadelijke samenstellingsveranderingen lokaliseren.

“Bij het veranderen van een materiaal is het belangrijk om precies te volgen hoe het op moleculair niveau verandert,” zei Passian. “Door onze techniek toe te passen op een voorbehandeld exemplaar van een populier, konden we het monster bestuderen terwijl we eventuele veranderingen bijhielden die de levensvatbaarheid ervan zouden kunnen beïnvloeden.”

De onderzoekers kozen populier als een representatief systeem omdat deze bomen snel groeien en weinig onderhoud vergen, maar de techniek die op populier wordt gebruikt, zou vergelijkbare gedetailleerde gegevens kunnen opleveren over veel andere planten, die onderzoekers zouden kunnen gebruiken om de efficiëntie van behandelingen te verbeteren en ideale biomaterialen te ontwikkelen.

“Onze techniek onthulde dat sommige soorten lignine niet volledig werden verwijderd tijdens delignificatie, en deze gegevens kunnen helpen het proces te optimaliseren en bijdragen aan een beter begrip van de weerspannigheid van lignine,” zei Lereu.

De techniek kan ook nuttig zijn op het gebied van additieve fabricage of 3D-printen, waarbij lagen materialen worden gestapeld om een ​​breed scala aan objecten te creëren, van nepvissen tot onderdelen van ruimtevaartuigen. Tijdens het drukproces, dat door Passian wordt beschreven als een complexere versie van het met een spuitzak op een taart aanbrengen van frosting, kan de meettechniek een kwaliteitscontrole toevoegen om menselijke fouten tot een minimum te beperken, de materiaalverdeling te corrigeren en eventuele verontreinigingen in realtime te verwijderen.

Het was een uitdaging om op de eerste rij plaats te krijgen voor subtiele veranderingen in plantencellen, maar Passian verwacht dat het opnemen van kwantummechanische principes in microscopie-experimenten onderzoekers in staat zou kunnen stellen een nog beter zicht te krijgen zonder delicate biologische monsters te beschadigen.

“Onderweg zou de kwantumwetenschap kunnen helpen de barrières van klassieke technieken te omzeilen om de resolutie van deze metingen verder te verbeteren,” zei hij.