Wereldwijd is er steeds meer belangstelling voor het gebruik van hout als aansteker, duurzamer bouwen alternatief voor staal en beton. Hoewel hout al millennia in gebouwen wordt gebruikt, zijn mechanische eigenschappen niet, tot nu toe, afgemeten aan alle moderne bouwnormen voor grote bovenbouw. Dit komt mede door een beperkt begrip van de precieze structuur van houtcellen.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in de plantenwetenschappen , heeft ook de plant Arabidopsis thaliana geïdentificeerd als een geschikt model om toekomstige bosveredelingsprogramma's te helpen sturen.

Dr. Jan Lyczakowski, de eerste auteur van het artikel van de afdeling Biochemie van de Universiteit van Cambridge, die nu is gevestigd aan de Jagiellonian University, zei, "Het is de moleculaire architectuur van hout die de sterkte bepaalt, maar tot nu toe kenden we de precieze moleculaire rangschikking van cilindrische structuren, macrofibrillen genaamd, in de houtcellen niet. Deze nieuwe techniek heeft ons in staat gesteld om de samenstelling van de macrofibrillen te zien, en hoe de moleculaire rangschikking verschilt tussen planten, en het helpt ons te begrijpen hoe dit van invloed kan zijn op de dichtheid en sterkte van het hout."

De belangrijkste bouwstenen van hout zijn de secundaire muren rond elke houtcel, die zijn gemaakt van een matrix van grote polymeren genaamd cellulose en hemicellulose, en geïmpregneerd met lignine. Bomen zoals de mammoetboom kunnen alleen hun enorme hoogte bereiken vanwege deze secundaire celwanden, die zorgen voor een stijve structuur rond de cellen in hun stammen.

Het team van de afdeling Biochemie van de Universiteit van Cambridge en het Sainsbury-laboratorium (SLCU) heeft scanning-elektronenmicroscopie bij lage temperatuur (cryo-SEM) aangepast om de nanoschaalarchitectuur van boomcelwanden in hun levende staat in beeld te brengen. Dit onthulde het microscopische detail van de secundaire celwandmacrofibrillen, die 1000 keer smaller zijn dan de breedte van een mensenhaar.

Om verschillende bomen te vergelijken, ze verzamelden houtmonsters van sparren, gingko- en populierbomen in de Cambridge University Botanic Garden. Monsters werden snel ingevroren tot min 200°C om de cellen in hun levende, gehydrateerde staat te bewaren. vervolgens gecoat in een ultradunne platinafilm van drie nanometer dik om een ​​goed zichtbaar contrast onder de microscoop te geven.

"Onze cryo-SEM is een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van eerder gebruikte technieken en heeft ons in staat gesteld om voor het eerst gehydrateerde houtcellen in beeld te brengen", zei dr. Raymond Wightman, Microscopie Core Facility Manager bij SLCU. "Het heeft onthuld dat er macrofibrilstructuren zijn met een diameter van meer dan 10 nanometer in zowel zachthout- als hardhoutsoorten, en bevestigde dat ze algemeen zijn in alle bestudeerde bomen."

Cryo-SEM is een krachtig hulpmiddel voor beeldvorming om inzicht te krijgen in de verschillende processen die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling van planten. Eerdere microscopie van hout was beperkt tot gedehydrateerde houtmonsters die ofwel moesten worden gedroogd, verwarmd of chemisch verwerkt voordat ze konden worden afgebeeld.

Het team heeft ook de secundaire celwanden van Arabidopsis thaliana in beeld gebracht, een eenjarige plant die veel wordt gebruikt als de standaard referentieplant voor genetica en moleculair biologisch onderzoek. Ze ontdekten dat het ook prominente macrofibrilstructuren had. Deze ontdekking betekent dat Arabidopsis als model kan worden gebruikt voor verder onderzoek naar houtarchitectuur. Met behulp van een verzameling Arabidopsis-planten met verschillende mutaties met betrekking tot hun secundaire celwandvorming, het team was in staat om de betrokkenheid van specifieke moleculen bij de vorming en rijping van macrofibrillen te bestuderen.

Dr. Matthieu Bourdon, een onderzoeksmedewerker bij SLCU, zei, "Met de varianten van Arabidopsis konden we de bijdrage van verschillende moleculen bepalen, zoals cellulose, xylan en lignine - tot de vorming en rijping van macrofibrillen. Als resultaat, we ontwikkelen nu een beter begrip van de processen die betrokken zijn bij het samenstellen van celwanden."

De rijkdom aan genetische bronnen van Arabidopsis biedt een waardevol hulpmiddel om de complexe afzetting van secundaire celwandpolymeren verder te bestuderen, en hun rol bij het definiëren van de fijne structuur van celwanden en hoe deze uitgroeien tot hout.

"Door de moleculaire architectuur van hout te visualiseren, kunnen we onderzoeken hoe het veranderen van de rangschikking van bepaalde polymeren erin de sterkte ervan kan veranderen, " zei professor Paul Dupree, een co-auteur van de studie in Cambridge's Department of Biochemistry. "Begrijpen hoe de componenten van hout samenkomen om supersterke structuren te maken, is belangrijk om te begrijpen hoe planten rijpen, en voor het ontwerpen van nieuwe materialen."

"Over de hele wereld is er steeds meer belangstelling voor het gebruik van hout als lichter en groener bouwmateriaal, " voegde Dupree eraan toe. "Als we de sterkte van hout kunnen vergroten, we kunnen beginnen met het zien van meer grote constructies die van staal en beton naar hout gaan."