Un gruppo di ricerca multi-istituzionale guidato da due docenti della Penn State ha identificato, per la prima volta, come i cristalli di cellulosa si orientano rispetto alla parete cellulare nelle piante, con potenziali implicazioni per lo sviluppo chimico ed energetico.

"Una comprensione più dettagliata della struttura delle pareti cellulari delle piante potrebbe portare a nuove strategie per la scomposizione di questi materiali per creare combustibili e sostanze chimiche di alto valore, "ha detto Enrique Gomez, co-investigatore principale dello studio e professore di ingegneria chimica e scienza e ingegneria dei materiali con una co-nomina nel Materials Research Institute. "Come tale, il nostro lavoro può portare a nuove strategie per la produzione di biocarburanti o biochimici".

La cellulosa è il biopolimero più abbondante sulla terra. Permette alle piante di costruire steli, tronchi e foglie. Protegge anche gli zuccheri utilizzati dalle piante per varie funzioni vitali. Per convertire la biomassa cellulosica in nuovi biocarburanti e sostanze biochimiche, i ricercatori devono capire come scomporre la cellulosa. La cellulosa è difficile da degradare in materie prime per la produzione di biocarburanti e sostanze biochimiche.

Il versatile, è noto da tempo che il materiale ricco di energia è cristallino, ma ci sono ancora alcuni misteri sulla sua struttura e su come si forma. Secondo Gomez, i ricercatori hanno ipotizzato per anni se i cristalli di cellulosa si attorcigliano. Il team di Penn State ha scoperto che i cristalli hanno un "orientamento preferito, " che è una tendenza ad essere posizionata in un modo senza torcersi. Questi risultati sono stati pubblicati a settembre in Comunicazioni sulla natura .

"Il nostro lavoro ha identificato un nuovo tipo di organizzazione nelle pareti cellulari delle piante, in quanto abbiamo identificato che i cristalli all'interno delle pareti cellulari delle piante hanno un orientamento preferito, " disse Esther Gomez, co-investigatore principale dello studio e professore associato di ingegneria chimica e ingegneria biomedica. "Questo è un risultato sorprendente, che abbiamo trovato in tre diverse specie di piante, suggerendo che la nostra scoperta sia dovuta a qualche conseguenza comune di come le piante costruiscono le loro pareti cellulari. Lungo la strada, potremmo aver aiutato a risolvere un dibattito di lunga data - se i cristalli all'interno delle pareti cellulari delle piante si attorcigliano - perché l'orientamento preferito suggerisce che i cristalli non si attorcigliano. Se lo hanno fatto, non ci sarebbe un orientamento preferito."

Per "vedere" l'orientamento cristallino della cellulosa nei campioni vegetali, hanno usato una tecnica non precedentemente applicata, a loro conoscenza, nello studio delle pareti vegetali.

"La tecnica, diffusione di raggi X grandangolare a incidenza radente (GIWAXS), è stato sviluppato per la scienza dei materiali e ampiamente utilizzato per lo studio dei film sottili, compresi film polimerici, " ha detto Esther Gomez.

GIWAXS prevede un raggio di raggi X che colpisce un campione di film sottile, in questo caso cellulosa, ad angoli molto bassi. Questo può essere regolato per sondare solo la superficie o la massa del campione su scale di lunghezza molecolare. Le specie vegetali studiate includevano le strutture cristalline nelle pareti cellulari delle cipolle, crescione e muschio.

Questa scoperta potrebbe portare all'apertura di nuove strade di ricerca sulla cellulosa, soprattutto in bioenergia e biochimica, secondo i ricercatori.

"Consentire lo studio di questo nuovo tipo di organizzazione porterà a nuovi studi fondamentali su come sorgono le notevoli proprietà delle pareti cellulari, ", ha detto Enrique Gomez.