Internationales Team visualisiert Eigenschaften pflanzlicher Zellwände im Nanomaßstab

Um Biomaterialien für eine zuverlässige, kostengünstige Papierproduktion, den Bau von Gebäuden und die Entwicklung von Biokraftstoffen zu optimieren, untersuchen Forscher häufig die Struktur von Pflanzenzellen, indem sie Techniken wie das Einfrieren von Pflanzenproben oder das Einbringen in ein Vakuum verwenden. Diese Methoden liefern wertvolle Daten, verursachen jedoch häufig dauerhafte Schäden an den Proben.

Ein Team von Physikern, darunter Ali Passian, ein Forschungswissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums, und Forscher des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS), verwendeten modernste Mikroskopie- und Spektroskopiemethoden, um zerstörungsfreie Ergebnisse zu erzielen Alternativen. Unter Verwendung einer Technik namens streuende optische Nahfeld-Rastermikroskopie untersuchte das Team die Zusammensetzung der Zellwände von jungen Pappeln, ohne die Proben zu beschädigen.

Aber das Team hatte noch andere Hindernisse zu überwinden. Obwohl Pflanzenzellwände aufgrund des Vorhandenseins komplexer Polymere wie Mikrofibrillen – dünne Fäden aus Biomasse, die Passian als ein Labyrinth aus verschlungenen Spaghettifäden beschreibt – notorisch schwer zu navigieren sind, erreichte das Team eine Auflösung von mehr als 20 Nanometern oder etwa das Tausendfache kleiner als eine menschliche Haarsträhne. Diese Detailansicht ermöglichte es den Forschern erstmals, optische Eigenschaften pflanzlicher Zellmaterialien über große und kleine Regionen hinweg zu erkennen, sogar bis hinunter zur Breite einer einzelnen Mikrofibrille. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Kommunikationsmaterialien.

„Unsere Technik ermöglichte es uns, die Morphologie und die optischen und chemischen Eigenschaften der Probe im Nanometerbereich zu betrachten – alles innerhalb derselben Messung“, sagte Passian.

Neben ORNL und CNRS umfasste das Team Forscher der Universität Aix-Marseille, des Interdisziplinären Zentrums für Nanowissenschaften in Marseille und des Fresnel-Instituts sowie der deutschen Neaspec GmbH.

„Bisher wurden diese optischen Eigenschaften nicht vor Ort gemessen, sondern lediglich an extrahierten Komponenten, die keine Informationen im Zusammenhang mit strukturellen und chemischen Eigenschaften liefern“, sagte Aude Lereu, Forscherin am Fresnel-Institut.

Indem das Team mit seiner Messtechnik eine Reihe detaillierter Bilder in einem Bereich der Pappelholz-Zellwand erhielt, beobachtete es auch die Verteilung von Strukturpolymeren wie Lignin und Zellulose, die harte Substanzen sind, die als „Knochen“ der Biologie dienen Systeme und können extrahiert und in Biokraftstoffe und Bioprodukte umgewandelt werden.

Diese Daten könnten verwendet werden, um chemische Behandlungen zu verbessern, die Säuren oder Enzyme verwenden, um die Polymerausbeute zu erhöhen und zu verhindern, dass Biomaterialien abgebaut werden, wenn sie externen Faktoren wie Pilzen oder Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Da die Pappelproben bereits einen Delignifizierungsprozess durchlaufen hatten, konnten die Forscher sowohl harmlose als auch potenziell schädliche Veränderungen in der Zusammensetzung lokalisieren.

„Bei der Veränderung eines Materials ist es wichtig, genau zu überwachen, wie es sich auf molekularer Ebene verändert“, sagte Passian. „Durch die Anwendung unserer Technik auf eine vorbehandelte Pappelprobe konnten wir die Probe untersuchen und gleichzeitig alle Veränderungen verfolgen, die ihre Lebensfähigkeit beeinträchtigen könnten.“

Die Forscher wählten Pappel als repräsentatives System aus, weil diese Bäume schnell wachsen und wenig Pflege benötigen, aber die auf Pappel angewendete Technik könnte ähnlich detaillierte Daten zu vielen anderen Pflanzen liefern, die Forscher verwenden könnten, um die Effizienz von Behandlungen zu verbessern und ideale Biomaterialien zu entwickeln.

„Unsere Technik zeigte, dass einige Arten von Lignin während der Delignifizierung nicht vollständig entfernt wurden, und diese Daten könnten helfen, den Prozess zu optimieren und zu einem besseren Verständnis der Lignin-Rekalzitranz beizutragen“, sagte Lereu.

Die Technik könnte sich auch im Bereich der additiven Fertigung oder des 3D-Drucks als vorteilhaft erweisen, bei dem Materialschichten gestapelt werden, um eine Vielzahl von Objekten zu erstellen, von gefälschten Fischen bis hin zu Komponenten von Raumfahrzeugen. Während des Druckprozesses, den Passian als eine komplexere Version des Aufspritzens von Zuckerguss auf einen Kuchen mit einem Spritzbeutel beschreibt, könnte die Messtechnik eine Ebene der Qualitätskontrolle hinzufügen, um menschliche Fehler zu minimieren, die Materialverteilung zu korrigieren und Verunreinigungen in Echtzeit zu entfernen.

Einen Platz in der ersten Reihe für subtile Veränderungen in Pflanzenzellen zu bekommen, stellte eine Herausforderung dar, aber Passian geht davon aus, dass die Einbeziehung quantenmechanischer Prinzipien in Mikroskopie-Experimente es den Forschern ermöglichen könnte, einen noch genaueren Einblick zu erhalten, ohne empfindliche biologische Proben zu beschädigen.

„In Zukunft könnte die Quantenwissenschaft dazu beitragen, die Barrieren klassischer Techniken zu umgehen, um die Auflösung dieser Messungen weiter zu verbessern“, sagte er.