Een multi-institutionele onderzoeksgroep onder leiding van twee faculteitsleden van Penn State heeft vastgesteld:Voor de eerste keer, hoe cellulosekristallen zich oriënteren ten opzichte van de celwand in planten, met mogelijke gevolgen voor de ontwikkeling van chemicaliën en energie.

"Een meer gedetailleerd begrip van de structuur van plantencelwanden zou kunnen leiden tot nieuwe strategieën voor de afbraak van deze materialen om brandstoffen en hoogwaardige chemicaliën te creëren, " zei Enrique Gomez, co-hoofdonderzoeker van de studie en hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde en techniek met een co-aanstelling in het Materials Research Institute. "Als zodanig, ons werk kan leiden tot nieuwe strategieën voor biobrandstof of biochemische productie."

Cellulose is het meest voorkomende biopolymeer op aarde. Het stelt planten in staat om stengels te bouwen, stammen en bladeren. Het beschermt ook de suikers die door planten worden gebruikt voor verschillende levensfuncties. Om cellulosebiomassa om te zetten in nieuwe biobrandstoffen en biochemicaliën, onderzoekers moeten begrijpen hoe ze cellulose kunnen afbreken. Cellulose is moeilijk af te breken tot grondstoffen voor de productie van biobrandstoffen en biochemicaliën.

De veelzijdige, van energierijk materiaal is al lang bekend dat het kristallijn is, maar er zijn nog steeds enkele mysteries over de structuur en hoe deze zich vormt. Volgens Gomez, onderzoekers speculeren al jaren of cellulosekristallen verdraaien. Het Penn State-team ontdekte dat de kristallen een "voorkeursoriëntatie hebben, " wat de neiging is om op één manier te worden gepositioneerd zonder te draaien. Deze bevindingen werden in september gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Ons werk identificeerde een nieuw type organisatie in celwanden van planten, doordat we hebben vastgesteld dat kristallen in plantencelwanden een voorkeursoriëntatie hebben, " zei Esther Gomez, co-hoofdonderzoeker van de studie en universitair hoofddocent chemische technologie en biomedische technologie. "Dit is een verrassend resultaat, die we vonden in drie verschillende plantensoorten, wat suggereert dat onze bevinding te wijten is aan een veelvoorkomend gevolg van hoe planten hun celwanden maken. Onderweg, we hebben misschien geholpen bij het oplossen van een al lang bestaand debat - of kristallen in plantencelwanden draaien - omdat de voorkeursoriëntatie suggereert dat kristallen niet draaien. Als ze dat deden, er zou geen voorkeursoriëntatie zijn."

Om de kristallijne oriëntatie van cellulose in de plantenmonsters te "zien", ze gebruikten een techniek die nog niet eerder was toegepast, naar hun weten, bij de studie van plantenwanden.

"De techniek, grazing-incidentie groothoek röntgenverstrooiing (GIWAXS), werd ontwikkeld voor materiaalkunde en veel gebruikt voor de studie van dunne films, inclusief polymeerfilms, ' zei Esther Gomez.

GIWAXS omvat een röntgenstraal die een dunne filmmonster raakt, in dit geval cellulose, in zeer ondiepe hoeken. Dit kan worden aangepast om alleen het oppervlak of de bulk van het monster op moleculaire lengteschalen te onderzoeken. De plantensoorten die ze bestudeerden, waren onder meer de kristallijne structuren in de celwanden van uien, zandraket en mos.

Deze ontdekking zou kunnen leiden tot het openen van nieuwe wegen voor cellulose-onderzoek, vooral in bio-energie en biochemicaliën, volgens de onderzoekers.

"Het toestaan ​​van de studie van dit nieuwe type organisatie zal leiden tot nieuwe fundamentele studies over hoe de opmerkelijke eigenschappen van celwanden ontstaan, ' zei Enrique Gomez.