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    Révéler la nanostructure du bois pourrait aider à élever les limites de hauteur des gratte-ciel en bois

    Crédit :CC0 Domaine Public

    Il existe un intérêt croissant dans le monde pour l'utilisation du bois comme briquet, alternative de construction plus durable à l'acier et au béton. Alors que le bois est utilisé dans les bâtiments depuis des millénaires, ses propriétés mécaniques n'ont pas, jusqu'à présent, mesuré à toutes les normes de construction modernes pour les grandes superstructures. Cela est dû en partie à une compréhension limitée de la structure précise des cellules du bois.

    La recherche, publié aujourd'hui dans la revue Frontières en sciences végétales , a également identifié la plante Arabidopsis thaliana comme un modèle approprié pour aider à orienter les futurs programmes de sélection forestière.

    Dr Jan Lyczakowski, le premier auteur de l'article du Département de biochimie de l'Université de Cambridge, qui est maintenant basé à l'Université Jagellonne, mentionné, "C'est l'architecture moléculaire du bois qui détermine sa résistance, mais jusqu'à présent, nous ne connaissions pas l'arrangement moléculaire précis des structures cylindriques appelées macrofibrilles dans les cellules du bois. Cette nouvelle technique nous a permis de voir la composition des macrofibrilles, et comment l'arrangement moléculaire diffère entre les plantes, et cela nous aide à comprendre comment cela pourrait avoir un impact sur la densité et la résistance du bois. »

    Les principaux éléments constitutifs du bois sont les murs secondaires autour de chaque cellule de bois, qui sont constitués d'une matrice de gros polymères appelés cellulose et hémicellulose, et imprégné de lignine. Des arbres tels que le séquoia géant ne peuvent atteindre leurs grandes hauteurs qu'à cause de ces parois cellulaires secondaires, qui fournissent une structure rigide autour des cellules dans leurs troncs.

    L'équipe du département de biochimie de l'université de Cambridge et du laboratoire Sainsbury (SLCU) a adapté la microscopie électronique à balayage à basse température (cryo-MEB) pour imager l'architecture à l'échelle nanométrique des parois cellulaires des arbres dans leur état vivant. Cela a révélé le détail microscopique des macrofibrilles de la paroi cellulaire secondaire, qui sont 1000 fois plus étroites que la largeur d'un cheveu humain.

    Pour comparer différents arbres, ils ont collecté des échantillons de bois d'épicéa, gingko et peupliers dans le jardin botanique de l'université de Cambridge. Les échantillons ont été surgelés jusqu'à moins 200 °C pour préserver les cellules dans leur état hydraté vivant, puis recouvert d'un film de platine ultra-mince de trois nanomètres d'épaisseur pour donner un bon contraste visible au microscope.

    "Notre cryo-MEB est une avancée significative par rapport aux techniques précédemment utilisées et nous a permis pour la première fois d'imager des cellules de bois hydratées", a déclaré le Dr Raymond Wightman, Microscopy Core Facility Manager chez SLCU. "Il a révélé qu'il existe des structures de macrofibrilles d'un diamètre supérieur à 10 nanomètres dans les essences de résineux et de feuillus, et confirmé qu'ils sont communs à tous les arbres étudiés."

    Cryo-SEM est un outil d'imagerie puissant pour aider à comprendre divers processus sous-jacents au développement des plantes. La microscopie précédente du bois était limitée à des échantillons de bois déshydraté qui devaient être soit séchés, chauffés ou traités chimiquement avant de pouvoir être imagés.

    L'équipe a également imagé les parois cellulaires secondaires d'Arabidopsis thaliana, une plante annuelle largement utilisée comme plante de référence standard pour la recherche en génétique et en biologie moléculaire. Ils ont découvert qu'il avait aussi des structures macrofibrillaires proéminentes. Cette découverte signifie qu'Arabidopsis pourrait être utilisé comme modèle pour de futures recherches sur l'architecture en bois. En utilisant une collection de plantes d'Arabidopsis avec différentes mutations liées à la formation de leur paroi cellulaire secondaire, l'équipe a pu étudier l'implication de molécules spécifiques dans la formation et la maturation des macrofibrilles.

    Dr Matthieu Bourdon, un chercheur associé à SLCU, mentionné, "Les variantes d'Arabidopsis nous ont permis de déterminer la contribution de différentes molécules, comme la cellulose, le xylane et la lignine—à la formation et à la maturation des macrofibrilles. Par conséquent, nous développons maintenant une meilleure compréhension des processus impliqués dans l'assemblage des parois cellulaires."

    La richesse des ressources génétiques d'Arabidopsis offre un outil précieux pour approfondir l'étude du dépôt complexe de polymères de la paroi cellulaire secondaire, et leur rôle dans la définition de la structure fine des parois cellulaires et la façon dont celles-ci mûrissent en bois.

    "La visualisation de l'architecture moléculaire du bois nous permet d'étudier comment la modification de l'arrangement de certains polymères en son sein pourrait altérer sa résistance, " a déclaré le professeur Paul Dupree, co-auteur de l'étude au Département de biochimie de Cambridge. « Comprendre comment les composants du bois s'assemblent pour créer des structures super résistantes est important pour comprendre à la fois comment les plantes mûrissent, et pour la conception de nouveaux matériaux."

    "Il existe un intérêt croissant dans le monde pour l'utilisation du bois comme matériau de construction plus léger et plus écologique, " ajouta Dupree. " Si nous pouvons augmenter la résistance du bois, nous pourrions commencer à voir de plus en plus de grandes constructions passer de l'acier et du béton au bois."


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