Durante l'esplorazione di cellule di pioppo utilizzando un microscopio elettronico a scansione, i ricercatori hanno osservato strutture a sacco, mostrato in viola, che sono stati successivamente identificati come amido attraverso la spettroscopia Raman. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; e CINAM, Università di Aix Marsiglia
Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno sviluppato un nuovo metodo per scrutare in profondità la nanostruttura dei biomateriali senza danneggiare il campione. Questa nuova tecnica può confermare le caratteristiche strutturali dell'amido, un carboidrato importante nella produzione di biocarburanti.
Il team di ricerca ha utilizzato la punta affilata della sonda di un microscopio a forza atomica, o AFM, per praticare con precisione piccoli fori su una superficie morbida, come una membrana biologica, creando uno strato staccato che può essere rimosso delicatamente.
Utilizzando il nuovo, nanoablazione meccanica morbida non intrusiva, o sMNA, tecnica, il team ha avuto accesso ai granuli di amido senza alterare la nanostruttura. I metodi di osservazione esistenti richiedono il danneggiamento o la distruzione degli strati esterni dell'amido, che possono influenzare le proprietà fisiche dei granuli.
"La nostra tecnica fondamentalmente solleva la membrana esterna, " ha detto Ali Passian del gruppo Quantum Information Science dell'ORNL. "Questo lascia le strutture interne quasi intatte".
Come descritto in un articolo pubblicato sulla rivista ACS Omega , sMNA ha permesso al team di osservare le proprietà interne dei granuli di amido da campioni di fusto di alberi di pioppo.
Negli Stati Uniti, la maggior parte dei biocarburanti proviene dall'amido dei chicchi di mais scomposto in etanolo, ma i pioppi sono da tempo candidati ai biocarburanti perché crescono rapidamente e producono molta biomassa. Sebbene la biomassa del pioppo contenga solo dal 3 al 10% di amido, un'unità di accumulo di energia biologica, l'albero ha abbondanti zuccheri avvolti in materiali polimerici come cellulosa, emicellulosa e lignina:componenti strutturali importanti che costituiscono le pareti cellulari dei tronchi d'albero, rami e foglie.
Utilizzando la nanoablazione meccanica morbida, o sMNA, i ricercatori hanno rimosso lo strato superiore di diversi granuli di amido per rivelare le loro strutture interne. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; e CINAM, Università di Aix Marsiglia
I ricercatori vogliono saperne di più sul nativo, proprietà su scala nanometrica sia dei granuli di amido che dei materiali strutturali per coltivare pioppi produttivi e utilizzarli al meglio come materie prime per biocarburanti.
"La struttura della parete cellulare delle piante è davvero importante se vogliamo passare alla prossima generazione di biocarburanti, " ha detto Brian Davison, Capo scienziato dell'ORNL per la biologia dei sistemi e la biotecnologia. "Questo studio ha utilizzato l'amido come esempio di come questa tecnica può iniziare ad accedere ad alcuni di questi materiali strutturali nanomeccanici che attualmente non possiamo osservare nel loro ambiente cellulare originale".
Per questo scopo, La capacità di sMNA di studiare le proprietà nanomeccaniche senza danneggiare il campione ha offerto vantaggi rispetto ai metodi di microscopia tradizionali.
"A livello di polimeri e ultrastrutture di materiali vegetali, lievi cambiamenti chimici o fisici possono alterare il risultato della misurazione, che rende l'interpretazione dei dati più impegnativa". Passian ha detto. "Questa suscettibilità ai cambiamenti ha motivato molte ricerche verso tecniche di misurazione non invasive e non distruttive".
Il team di ricerca ha utilizzato sMNA in combinazione con gli strumenti esistenti.
"Per confermare chimicamente che la composizione dei granuli osservati fosse effettivamente quella dell'amido, abbiamo usato la spettroscopia Raman, " ha detto Rubye Farahi di ORNL, un coautore sulla carta.
La spettroscopia Raman delle pareti cellulari del pioppo ha confermato che la composizione chimica delle strutture a sacco era quella dei granuli di amido. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; e CINAM, Università di Aix Marsiglia
Prossimo, il team ha distribuito sMNA e utilizzato AFM per visualizzare strutture "blocklet" ripetute all'interno dei granuli con dettagli topografici senza precedenti che rivelano come sono distanziate le strutture.
Hanno anche preso misurazioni interne ed esterne sulle proprietà meccaniche dell'amido, compresa la viscoplasticità, una misura di come una sostanza si comporta quando è deformata, e modulo di Young, una misura della rigidità di un materiale.
"Queste proprietà meccaniche possono aiutare a determinare come le strutture dei granuli di amido potrebbero essere correlate alla funzione del resto della pianta, " Davison ha detto, notando che vorrebbe utilizzare ulteriormente la tecnica per studiare materiali strutturali più complicati in pioppo.
La tecnica potrebbe essere applicata anche a materiali non viventi, secondo Passian. Lo immagina usato su polimeri sintetici o anche su materiali stampati in 3D.
"Se fossimo in grado di applicarlo a questa struttura così delicata, altri dovrebbero essere in grado di fare lo stesso con i loro campioni di interesse, " Ha detto Passian. "Questo apre una gamma di possibilità nella biologia delle piante o in qualsiasi altra area che ha bisogno di esaminare materiali delicati".
ORNL ha collaborato con il Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille dell'Università di Aix Marseille, o CINaM, su questo lavoro. Coautori dello studio intitolato, "Nanomeccanica e spettroscopia Raman dei granuli di stoccaggio di carboidrati nativi in situ per migliorare la qualità dell'amido e la produzione di biomassa lignocellulosica, " includi Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri e Brian H. Davison dell'ORNL, e Aude L. Lereu e Anne M. Charrier dell'Università di Aix Marsiglia. ORNL e CINaM hanno prodotto insieme immagini in questa ricerca.
