En explorant des cellules de peuplier à l'aide d'un microscope électronique à balayage, les chercheurs ont observé des structures en forme de sac, représenté en violet, qui ont ensuite été identifiés comme de l'amidon par spectroscopie Raman. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; et CINaM, Université Aix Marseille
Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont mis au point une nouvelle méthode pour scruter en profondeur la nanostructure des biomatériaux sans endommager l'échantillon. Cette nouvelle technique peut confirmer les caractéristiques structurelles de l'amidon, un glucide important dans la production de biocarburants.
L'équipe de recherche a utilisé la pointe de sonde pointue d'un microscope à force atomique, ou AFM, pour percer avec précision de minuscules trous dans une surface molle, comme une membrane biologique, créant une couche détachée qui peut être délicatement décollée.
En utilisant le nouveau, nanoablation mécanique douce non intrusive, ou sMNA, technique, l'équipe a accédé aux granules d'amidon sans altérer la nanostructure. Les méthodes d'observation existantes nécessitent d'endommager ou de détruire les couches externes de l'amidon, ce qui peut affecter les propriétés physiques des granulés.
"Notre technique soulève essentiellement la membrane externe, " a déclaré Ali Passian du groupe Quantum Information Science de l'ORNL. " Cela laisse les structures intérieures presque intactes. "
Comme décrit dans un article publié dans la revue ACS Oméga , sMNA a permis à l'équipe d'observer les propriétés intérieures des granules d'amidon à partir d'échantillons de tiges de peupliers.
Aux Etats-Unis, la plupart des biocarburants proviennent de l'amidon des grains de maïs décomposé en éthanol, mais les peupliers sont des candidats de longue date pour les biocarburants car ils poussent rapidement et produisent beaucoup de biomasse. Bien que la biomasse du peuplier ne contienne que 3 à 10 % d'amidon, une unité de stockage d'énergie biologique, l'arbre a des sucres abondants enveloppés dans des matériaux polymères tels que la cellulose, l'hémicellulose et la lignine - des composants structurels importants qui constituent les parois cellulaires des troncs d'arbres, branches et feuilles.
En utilisant la nanoablation mécanique douce, ou sMNA, les chercheurs ont décollé la couche supérieure de plusieurs granules d'amidon pour révéler leurs structures internes. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; et CINaM, Université Aix Marseille
Les chercheurs veulent en savoir plus sur l'indigène, propriétés à l'échelle nanométrique des granules d'amidon et des matériaux structurels pour faire pousser des peupliers productifs et les utiliser au mieux comme matières premières pour les biocarburants.
« La structure de la paroi cellulaire des plantes est vraiment importante si nous voulons passer à la prochaine génération de biocarburants, " a déclaré Brian Davison, Scientifique en chef de l'ORNL pour la biologie des systèmes et la biotechnologie. "Cette étude a utilisé l'amidon comme exemple de la façon dont cette technique peut commencer à accéder à certains de ces matériaux structurels nanomécaniques que nous ne pouvons actuellement pas observer dans leur environnement cellulaire d'origine."
Dans ce but, La capacité de la sMNA à étudier les propriétés nanomécaniques sans endommager l'échantillon offrait des avantages par rapport aux méthodes de microscopie traditionnelles.
« Au niveau des polymères et des ultrastructures de matières végétales, de légers changements chimiques ou physiques peuvent altérer le résultat de la mesure, ce qui rend l'interprétation des données plus difficile." a déclaré Passian. "Cette sensibilité aux changements a motivé de nombreuses recherches vers des techniques de mesure non invasives et non destructives."
L'équipe de recherche a utilisé sMNA en conjonction avec des outils existants.
"Pour confirmer chimiquement que la composition des granules observée était bien celle de l'amidon, nous avons utilisé la spectroscopie Raman, " a déclaré Rubye Farahi de l'ORNL, un co-auteur sur le papier.
La spectroscopie Raman des parois cellulaires du peuplier a confirmé que la composition chimique des structures en forme de sac était celle des granules d'amidon. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; et CINaM, Université Aix Marseille
Prochain, l'équipe a déployé le sMNA et utilisé l'AFM pour imager des structures répétées de "blocs" dans les granules avec des détails topographiques sans précédent révélant comment les structures sont espacées.
Ils ont également effectué des mesures internes et externes sur les propriétés mécaniques de l'amidon, y compris la viscoplasticité, une mesure du comportement d'une substance lorsqu'elle est déformée, et le module de Young, une mesure de la rigidité d'un matériau.
"Ces propriétés mécaniques peuvent aider à déterminer comment les structures des granules d'amidon pourraient être liées à la fonction du reste de la plante, " Davison a dit, notant qu'il aimerait utiliser davantage la technique pour étudier des matériaux structurels plus complexes en peuplier.
La technique pourrait également être appliquée aux matériaux non vivants, selon Passian. Il l'imagine utilisé sur des polymères synthétiques ou encore des matériaux imprimés en 3D.
« Si nous pouvions l'appliquer à cette structure très délicate, d'autres devraient pouvoir faire de même avec leurs échantillons d'intérêt, ", a déclaré Passian. "Cela ouvre un éventail de possibilités en biologie végétale ou dans tout autre domaine qui a besoin d'examiner des matériaux délicats."
L'ORNL a collaboré avec le Centre Interdisciplinaire de Nanosciences de Marseille de l'Université Aix Marseille, ou CINaM, sur ce travail. Co-auteurs de l'étude intitulée, "Nanomécanique et spectroscopie Raman de granulés de stockage de glucides natifs in situ pour améliorer la qualité de l'amidon et la production de biomasse lignocellulosique, " inclure Ali Passian, Ruby H. Farahi, Udaya C. Kalluri et Brian H. Davison de l'ORNL, et Aude L. Lereu et Anne M. Charrier d'Aix Marseille Université. L'ORNL et le CINaM ont produit conjointement des images dans cette recherche.
