En multi-institutionell forskargrupp ledd av två Penn State-fakultetsmedlemmar har identifierat, för första gången, hur cellulosakristaller orienterar sig i förhållande till cellväggen i växter, med potentiella konsekvenser för kemikalie- och energiutveckling.

"En mer detaljerad förståelse av strukturen hos växtcellväggar kan leda till nya strategier för nedbrytning av dessa material för att skapa bränslen och högvärdiga kemikalier, sa Enrique Gomez, medföreståndare för studien och professor i kemiteknik och materialvetenskap och ingenjörskonst med anställning i Materialforskningsinstitutet. "Som sådan, vårt arbete kan leda till nya strategier för biobränsle eller biokemisk produktion."

Cellulosa är den vanligaste biopolymeren på jorden. Det gör det möjligt för växter att bygga stjälkar, stammar och löv. Det skyddar också sockerarter som används av växter för olika livsfunktioner. Att omvandla cellulosabiomassa till nya biobränslen och biokemikalier, forskare måste förstå hur man bryter ner cellulosa. Cellulosa är svårt att bryta ner till råvaror för tillverkning av biobränslen och biokemikalier.

Den mångsidiga, energirikt material har länge varit känt för att vara kristallint, men det finns fortfarande några mysterier om dess struktur och hur den bildas. Enligt Gomez, forskare har spekulerat i om cellulosakristaller vrider sig i flera år. Penn State-teamet fann att kristallerna har en "föredragen orientering, " vilket är en tendens att placeras på ett sätt utan att vrida. Dessa fynd publicerades i september i Naturkommunikation .

"Vårt arbete identifierade en ny typ av organisation i växtcellväggar, genom att vi identifierade att kristaller i växtcellväggar har en föredragen orientering, sa Esther Gomez, medföreståndare för studien och docent i kemiteknik och biomedicinsk teknik. "Detta är ett överraskande resultat, som vi hittade i tre olika växtarter, vilket tyder på att vårt fynd beror på en vanlig konsekvens av hur växter gör sina cellväggar. Längs vägen, vi kan ha hjälpt till att lösa en långvarig debatt – huruvida kristaller inom växtcellväggar vrider sig – eftersom den föredragna orienteringen antyder att kristaller inte vrider sig. Om de gjorde det, det skulle inte finnas en föredragen orientering."

För att "se" cellulosans kristallina orientering i växtproverna, de använde en teknik som inte tidigare tillämpats, såvitt de vet, i studiet av växtväggar.

"Tekniken, bete-incidens vidvinkelröntgenspridning (GIWAXS), utvecklades för materialvetenskap och användes i stor utsträckning för studier av tunna filmer, inklusive polymerfilmer, " sa Esther Gomez.

GIWAXS involverar en röntgenstråle som träffar ett tunnfilmsprov, i detta fall cellulosa, i mycket små vinklar. Detta kan justeras för att sondera endast ytan eller bulken av provet vid molekyllängdsskalor. De växtarter som de studerade inkluderade de kristallina strukturerna i cellväggarna hos lök, krasse och mossa.

Denna upptäckt kan leda till öppnandet av nya vägar för cellulosaforskning, speciellt inom bioenergi och biokemikalier, enligt forskarna.

"Att tillåta studiet av denna nya typ av organisation kommer att leda till nya grundläggande studier om hur de anmärkningsvärda egenskaperna hos cellväggar uppstår, " sa Enrique Gomez.