C'è un crescente interesse in tutto il mondo nell'uso del legno come accendino, un'alternativa costruttiva più sostenibile all'acciaio e al calcestruzzo. Mentre il legno è stato utilizzato negli edifici per millenni, le sue proprietà meccaniche non hanno, ancora, misurato fino a tutti i moderni standard di costruzione per le grandi sovrastrutture. Ciò è dovuto in parte a una comprensione limitata della struttura precisa delle celle di legno.

La ricerca, pubblicato oggi sulla rivista Frontiere nella scienza delle piante , ha anche identificato la pianta Arabidopsis thaliana come un modello adatto per aiutare a dirigere i futuri programmi di allevamento forestale.

Dott. Jan Lyczakowski, il primo autore dell'articolo dal Dipartimento di Biochimica dell'Università di Cambridge, che ora ha sede presso l'Università Jagellonica, disse, "È l'architettura molecolare del legno che ne determina la forza, ma fino ad ora non conoscevamo la precisa disposizione molecolare delle strutture cilindriche chiamate macrofibrille nelle cellule del legno. Questa nuova tecnica ha permesso di vedere la composizione delle macrofibrille, e come la disposizione molecolare differisce tra le piante, e ci aiuta a capire come questo potrebbe avere un impatto sulla densità e la resistenza del legno."

Gli elementi costitutivi principali del legno sono le pareti secondarie attorno a ciascuna cella di legno, che sono costituiti da una matrice di grossi polimeri chiamati cellulosa ed emicellulosa, e impregnato di lignina. Alberi come la sequoia gigante possono raggiungere le loro vaste altezze solo a causa di queste pareti cellulari secondarie, che forniscono una struttura rigida intorno alle cellule nei loro tronchi.

Il team del Dipartimento di Biochimica dell'Università di Cambridge e del Sainsbury Laboratory (SLCU) ha adattato la microscopia elettronica a scansione a bassa temperatura (crio-SEM) per visualizzare l'architettura su scala nanometrica delle pareti cellulari degli alberi nel loro stato vivente. Questo ha rivelato il dettaglio microscopico delle macrofibrille secondarie della parete cellulare, che sono 1000 volte più strette della larghezza di un capello umano.

Per confrontare diversi alberi, hanno raccolto campioni di legno di abete rosso, gingko e pioppi nel giardino botanico dell'Università di Cambridge. I campioni sono stati congelati a scatto fino a meno 200°C per preservare le cellule nel loro stato idratato vivo, poi rivestito in un film di platino ultrasottile di tre nanometri di spessore per dare un buon contrasto visibile al microscopio.

"Il nostro crio-SEM è un progresso significativo rispetto alle tecniche utilizzate in precedenza e ci ha permesso di visualizzare per la prima volta cellule di legno idratate", disse il dottor Raymond Wightman, Microscopy Core Facility Manager presso SLCU. "Ha rivelato che ci sono strutture di macrofibrille con un diametro superiore a 10 nanometri sia in specie di legno tenero che di legno duro, e hanno confermato che sono comuni a tutti gli alberi studiati."

Cryo-SEM è un potente strumento di imaging per aiutare a comprendere i vari processi alla base dello sviluppo delle piante. La precedente microscopia del legno era limitata a campioni di legno disidratato che dovevano essere essiccati, riscaldati o trattati chimicamente prima che possano essere ripresi.

Il team ha anche ripreso le pareti cellulari secondarie di Arabidopsis thaliana, una pianta annuale ampiamente utilizzata come pianta di riferimento standard per la ricerca genetica e di biologia molecolare. Hanno scoperto che anche questo aveva strutture di macrofibrille prominenti. Questa scoperta significa che Arabidopsis potrebbe essere utilizzata come modello per ulteriori ricerche sull'architettura in legno. Utilizzando una collezione di piante di Arabidopsis con diverse mutazioni relative alla formazione della parete cellulare secondaria, il team è stato in grado di studiare il coinvolgimento di molecole specifiche nella formazione e nella maturazione delle macrofibrille.

Dott. Matthieu Bourdon, un ricercatore associato presso SLCU, disse, "Le varianti di Arabidopsis ci hanno permesso di determinare il contributo di diverse molecole, come la cellulosa, xilano e lignina:alla formazione e maturazione delle macrofibrille. Di conseguenza, stiamo ora sviluppando una migliore comprensione dei processi coinvolti nell'assemblaggio delle pareti cellulari".

La ricchezza delle risorse genetiche di Arabidopsis offre uno strumento prezioso per studiare ulteriormente la complessa deposizione di polimeri secondari della parete cellulare, e il loro ruolo nel definire la struttura fine delle pareti cellulari e come queste maturano in legno.

"Visualizzare l'architettura molecolare del legno ci permette di indagare come la modifica della disposizione di alcuni polimeri al suo interno potrebbe alterarne la forza, " ha detto il professor Paul Dupree, un coautore dello studio presso il Dipartimento di Biochimica di Cambridge. "Capire come i componenti del legno si uniscono per creare strutture super resistenti è importante per capire sia come maturano le piante, e per il design di nuovi materiali."

"C'è un crescente interesse in tutto il mondo per l'utilizzo del legno come materiale da costruzione più leggero e più ecologico, " aggiunse Dupree. "Se possiamo aumentare la resistenza del legno, potremmo iniziare a vedere più grandi costruzioni passare dall'acciaio e dal cemento al legno".