Un groupe de recherche multi-institutionnel dirigé par deux membres du corps professoral de Penn State a identifié, pour la première fois, comment les cristaux de cellulose s'orientent par rapport à la paroi cellulaire des plantes, avec des implications potentielles pour le développement chimique et énergétique.

"Une compréhension plus détaillée de la structure des parois cellulaires végétales pourrait conduire à de nouvelles stratégies de décomposition de ces matériaux pour créer des carburants et des produits chimiques de grande valeur, " a déclaré Enrique Gomez, co-chercheur principal de l'étude et professeur de génie chimique et de science et ingénierie des matériaux avec une co-affectation à l'Institut de recherche sur les matériaux. "En tant que tel, notre travail peut conduire à de nouvelles stratégies pour la production de biocarburants ou biochimiques."

La cellulose est le biopolymère le plus abondant sur terre. Il permet aux plantes de construire des tiges, troncs et feuilles. Il protège également les sucres utilisés par les plantes pour diverses fonctions vitales. Convertir la biomasse cellulosique en nouveaux biocarburants et produits biochimiques, les chercheurs doivent comprendre comment décomposer la cellulose. La cellulose est difficile à dégrader en matières premières pour la fabrication de biocarburants et de produits biochimiques.

Le polyvalent, matériau riche en énergie est connu depuis longtemps pour être cristallin, mais il y a encore quelques mystères sur sa structure et comment il se forme. Selon Gomez, les chercheurs ont spéculé si les cristaux de cellulose se tordent pendant des années. L'équipe de Penn State a découvert que les cristaux ont une « orientation préférée, " qui est une tendance à se positionner dans un sens sans se tordre. Ces résultats ont été publiés en septembre dans Communication Nature .

« Nos travaux ont permis d'identifier un nouveau type d'organisation dans les parois cellulaires végétales, en ce que nous avons identifié que les cristaux dans les parois cellulaires végétales ont une orientation préférée, " dit Esther Gomez, co-chercheur principal de l'étude et professeur agrégé de génie chimique et de génie biomédical. "C'est un résultat surprenant, que nous avons trouvé chez trois espèces végétales différentes, suggérant que notre découverte est due à une conséquence commune de la façon dont les plantes fabriquent leurs parois cellulaires. Le long du chemin, nous avons peut-être aidé à régler un débat de longue date - si les cristaux dans les parois cellulaires végétales se tordent - parce que l'orientation préférée suggère que les cristaux ne se tordent pas. S'ils l'ont fait, il n'y aurait pas d'orientation privilégiée."

Pour "voir" l'orientation cristalline de la cellulose dans les échantillons de plantes, ils ont utilisé une technique non appliquée auparavant, à leur connaissance, dans l'étude des murs végétaux.

"La technique, diffusion des rayons X grand angle à incidence rasante (GIWAXS), a été développé pour la science des matériaux et largement utilisé pour l'étude des couches minces, y compris les films polymères, ", a déclaré Esther Gomez.

GIWAXS implique un faisceau de rayons X frappant un échantillon de film mince, dans ce cas la cellulose, à des angles très faibles. Cela peut être ajusté pour sonder uniquement la surface ou la masse de l'échantillon à des échelles de longueur moléculaire. Les espèces végétales étudiées comprenaient les structures cristallines des parois cellulaires des oignons, thale cresson et mousse.

Cette découverte pourrait déboucher sur l'ouverture de nouvelles voies de recherche sur la cellulose, en particulier dans la bioénergie et la biochimie, selon les chercheurs.

« Permettre l'étude de ce nouveau type d'organisation conduira à de nouvelles études fondamentales sur la façon dont les propriétés remarquables des parois cellulaires apparaissent, ", a déclaré Enrique Gomez.