Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuwe methode ontwikkeld om diep in de nanostructuur van biomaterialen te kijken zonder het monster te beschadigen. Deze nieuwe techniek kan structurele kenmerken in zetmeel bevestigen, een koolhydraat dat belangrijk is bij de productie van biobrandstoffen.

Het onderzoeksteam gebruikte de scherpe sondepunt van een atoomkrachtmicroscoop, of AFM, om precies kleine gaatjes in een zacht oppervlak te slaan, zoals een biologisch membraan, waardoor een losse laag ontstaat die voorzichtig kan worden afgepeld.

Met behulp van de nieuwe, niet-opdringerige zachte mechanische nanoablatie, of sMNA, techniek, het team kreeg toegang tot zetmeelkorrels zonder de nanostructuur te veranderen. Bestaande observatiemethoden vereisen beschadiging of vernietiging van de buitenste lagen van het zetmeel, die de fysieke eigenschappen van de korrels kunnen beïnvloeden.

"Onze techniek tilt in feite het buitenste membraan op, "Zei Ali Passian van ORNL's Quantum Information Science-groep. "Dit laat de interieurstructuren bijna onaangeroerd."

Zoals beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift ACS Omega , Met sMNA kon het team de inwendige eigenschappen van zetmeelkorrels observeren uit stammonsters van populieren.

In de Verenigde Staten, de meeste biobrandstof is afkomstig van zetmeel in maïskorrels, afgebroken tot ethanol, maar populieren zijn al heel lang kandidaten voor biobrandstoffen omdat ze snel groeien en veel biomassa produceren. Hoewel populierbiomassa slechts 3 tot 10% zetmeel bevat, een biologische energieopslageenheid, de boom heeft overvloedige suikers verpakt in polymere materialen zoals cellulose, hemicellulose en lignine - belangrijke structurele componenten die de celwanden van boomstammen vormen, takken en bladeren.

Onderzoekers willen meer te weten komen over de inheemse, nanoschaaleigenschappen van zowel zetmeelkorrels als structurele materialen om productieve populieren te kweken en deze het beste te gebruiken als grondstof voor biobrandstoffen.

"De structuur van de celwand van planten is echt belangrijk als we naar de volgende generatie biobrandstoffen gaan, " zei Brian Davison, ORNL's hoofdwetenschapper voor systeembiologie en biotechnologie. "Deze studie gebruikte zetmeel als een voorbeeld van hoe deze techniek toegang kan krijgen tot sommige van deze nanomechanische structurele materialen die we momenteel niet kunnen waarnemen in hun oorspronkelijke cellulaire omgeving."

Voor dit doeleinde, Het vermogen van sMNA om nanomechanische eigenschappen te bestuderen zonder het monster te beschadigen, bood voordelen ten opzichte van traditionele microscopiemethoden.

"Op het niveau van polymeren en ultrastructuren van plantaardig materiaal, kleine chemische of fysieke veranderingen kunnen het meetresultaat veranderen, wat de interpretatie van de gegevens uitdagender maakt. "Zei Passian. "Deze gevoeligheid voor veranderingen heeft veel onderzoek naar niet-invasieve en niet-destructieve meettechnieken gemotiveerd."

Het onderzoeksteam gebruikte sMNA in combinatie met bestaande tools.

"Om chemisch te bevestigen dat de samenstelling van de waargenomen korrels inderdaad die van zetmeel was, we gebruikten Raman-spectroscopie, " zei Rubye Farahi van ORNL, een co-auteur op het papier.

Volgende, het team implementeerde sMNA en gebruikte AFM om zich herhalende "blocklet" -structuren in de korrels in beeld te brengen met ongekende topografische details die onthullen hoe de structuren uit elkaar liggen.

Ze namen ook interne en externe metingen van de mechanische eigenschappen van het zetmeel, inclusief viscoplasticiteit, een maatstaf voor hoe een stof zich gedraagt ​​wanneer deze vervormd is, en Young's modulus, een maat voor de stijfheid van een materiaal.

"Die mechanische eigenschappen kunnen helpen bepalen hoe zetmeelkorrelstructuren zich kunnen verhouden tot de functie van de rest van de plant, " Davison zei, opmerkend dat hij de techniek verder zou willen gebruiken om meer gecompliceerde structurele materialen in populier te bestuderen.

De techniek kan ook worden toegepast op niet-levende materialen, volgens Passianus. Hij stelt zich voor dat het wordt gebruikt op synthetische polymeren of zelfs 3D-geprinte materialen.

"Als we het zouden kunnen toepassen op deze zeer delicate structuur, anderen zouden hetzelfde moeten kunnen doen met hun monsters van belang, " zei Passian. "Dit opent een scala aan mogelijkheden in de plantenbiologie of andere gebieden die behoefte hebben aan het kijken naar delicate materialen."

ORNL werkte samen met het Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille van Aix Marseille University, of CINaM, op dit werk. Co-auteurs van de studie getiteld, "Nanomechanica en Raman-spectroscopie van in situ inheemse koolhydraatopslagkorrels voor het verbeteren van de zetmeelkwaliteit en de productie van lignocellulosische biomassa, " omvatten Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri en Brian H. Davison van ORNL, en Aude L. Lereu en Anne M. Charrier van de universiteit van Aix Marseille. ORNL en CINaM maakten in dit onderzoek gezamenlijk beelden.