Det finns ett ökande intresse runt om i världen för att använda timmer som tändare, mer hållbart byggalternativ till stål och betong. Medan trä har använts i byggnader i årtusenden, dess mekaniska egenskaper har inte, hittills, uppmätt till alla moderna byggstandarder för större överbyggnader. Detta beror delvis på en begränsad förståelse för den exakta strukturen hos träceller.

Forskningen, publiceras idag i tidskriften Frontiers in Plant Science , har också identifierat växten Arabidopsis thaliana som en lämplig modell för att styra framtida skogsbruksprogram.

Dr Jan Lyczakowski, tidningens första författare från Cambridge Universitys institution för biokemi, som nu är baserad på Jagiellonian University, sa, "Det är träets molekylära arkitektur som avgör dess styrka, men hittills visste vi inte det exakta molekylära arrangemanget av cylindriska strukturer som kallas makrofibriller i träcellerna. Denna nya teknik har gjort det möjligt för oss att se sammansättningen av makrofibrillerna, och hur det molekylära arrangemanget skiljer sig mellan växter, och det hjälper oss att förstå hur detta kan påverka trätätheten och styrkan."

De viktigaste byggstenarna i trä är sekundärväggarna runt varje träcell, som är gjorda av en matris av stora polymerer som kallas cellulosa och hemicellulosa, och impregnerad med lignin. Träd som den jättelika sequoiaen kan bara nå sina enorma höjder på grund av dessa sekundära cellväggar, som ger en stel struktur runt cellerna i deras stam.

Teamet från Cambridge Universitys institution för biokemi och Sainsbury Laboratory (SLCU) anpassade skanningselektronmikroskopi vid låg temperatur (cryo-SEM) för att avbilda trädcellväggarnas nanoskala i deras levande tillstånd. Detta avslöjade den mikroskopiska detaljen av de sekundära cellväggsmakrofibrillerna, som är 1000 gånger smalare än bredden på ett människohår.

För att jämföra olika träd, de samlade in träprover från gran, gingko- och poppelträd i Cambridge University Botanic Garden. Prover snabbfrystes ner till minus 200°C för att bevara cellerna i deras levande hydratiserade tillstånd, sedan belagd i en ultratunn platinafilm tre nanometer tjock för att ge bra synlig kontrast under mikroskopet.

"Vår cryo-SEM är ett betydande framsteg jämfört med tidigare använda tekniker och har gjort det möjligt för oss att avbilda hydratiserade träceller för första gången", sa Dr. Raymond Wightman, Microscopy Core Facility Manager på SLCU. "Det har avslöjat att det finns makrofibriller med en diameter som överstiger 10 nanometer i både barr- och lövträslag, och bekräftade att de är vanliga i alla studerade träd."

Cryo-SEM är ett kraftfullt bildverktyg som hjälper dig att förstå olika processer som ligger bakom växtutvecklingen. Tidigare mikroskopering av trä var begränsad till uttorkade träprover som antingen måste torkas, uppvärmda eller kemiskt bearbetade innan de kunde avbildas.

Teamet avbildade också de sekundära cellväggarna av Arabidopsis thaliana, en ettårig växt som ofta används som standardreferensväxt för genetik och molekylärbiologisk forskning. De fann att den också hade framträdande makrofibriller. Denna upptäckt innebär att Arabidopsis skulle kunna användas som modell för vidare forskning om träarkitektur. Genom att använda en samling Arabidopsis-växter med olika mutationer relaterade till deras sekundära cellväggsbildning, teamet kunde studera inblandningen av specifika molekyler i bildandet och mognaden av makrofibriller.

Dr Matthieu Bourdon, en forskarassistent vid SLCU, sa, "Varianterna av Arabidopsis gjorde det möjligt för oss att bestämma bidraget från olika molekyler - som cellulosa, xylan och lignin – till bildning och mognad av makrofibriller. Som ett resultat, vi utvecklar nu en bättre förståelse för processerna som är involverade i montering av cellväggar."

Den rikedom av genetiska resurser från Arabidopsis erbjuder ett värdefullt verktyg för att ytterligare studera den komplexa avsättningen av sekundära cellväggspolymerer, och deras roll i att definiera cellväggarnas fina struktur och hur dessa mognar till trä.

"Visualisering av träets molekylära arkitektur ger oss möjlighet att undersöka hur en förändring av arrangemanget av vissa polymerer inom det kan förändra dess styrka, sade professor Paul Dupree, en medförfattare till studien vid Cambridges institution för biokemi. "Att förstå hur komponenterna i trä går ihop för att skapa superstarka strukturer är viktigt för att förstå både hur växter mognar, och för design av nya material."

"Det finns ett ökande intresse runt om i världen för att använda timmer som ett lättare och grönare byggmaterial, " tillade Dupree. "Om vi ​​kan öka styrkan hos trä, vi kan börja se fler större konstruktioner som går bort från stål och betong till trä."