Mientras explora las células del álamo con un microscopio electrónico de barrido, los investigadores observaron estructuras en forma de saco, se muestra en morado, que luego se identificaron como almidón mediante espectroscopía Raman. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; y CINaM, Universidad de Aix Marsella
Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado un nuevo método para profundizar en la nanoestructura de los biomateriales sin dañar la muestra. Esta novedosa técnica puede confirmar las características estructurales del almidón, un carbohidrato importante en la producción de biocombustibles.
El equipo de investigación utilizó la punta de la sonda afilada de un microscopio de fuerza atómica, o AFM, para perforar con precisión pequeños agujeros en una superficie blanda, como una membrana biológica, creando una capa desprendida que se puede despegar suavemente.
Usando el nuevo, nanoablación mecánica blanda no intrusiva, o sMNA, técnica, el equipo accedió a los gránulos de almidón sin alterar la nanoestructura. Los métodos de observación existentes requieren dañar o destruir las capas externas del almidón, que puede afectar las propiedades físicas de los gránulos.
"Nuestra técnica básicamente levanta la membrana externa, ", dijo Ali Passian del grupo de Ciencia de la Información Cuántica de ORNL. Esto deja las estructuras interiores casi intactas".
Como se describe en un artículo publicado en la revista ACS Omega , El sMNA permitió al equipo observar las propiedades interiores de los gránulos de almidón a partir de muestras de tallos de álamos.
En los Estados Unidos, la mayor parte del biocombustible proviene del almidón de los granos de maíz descompuesto en etanol, pero los álamos han sido candidatos a biocombustibles desde hace mucho tiempo porque crecen rápidamente y producen mucha biomasa. Aunque la biomasa de álamo contiene solo del 3 al 10% de almidón, una unidad de almacenamiento de energía biológica, el árbol tiene abundantes azúcares envueltos en materiales poliméricos como celulosa, hemicelulosa y lignina:componentes estructurales importantes que forman las paredes celulares de los troncos de los árboles, ramas y hojas.
Usando nanoablación mecánica suave, o sMNA, los investigadores retiraron la capa superior de varios gránulos de almidón para revelar sus estructuras internas. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; y CINaM, Universidad de Aix Marsella
Los investigadores quieren aprender más sobre los nativos, propiedades a nanoescala tanto de los gránulos de almidón como de los materiales estructurales para cultivar álamos productivos y utilizarlos mejor como materia prima para biocombustibles.
"La estructura de la pared celular vegetal es realmente importante si vamos a pasar a la próxima generación de biocombustibles, "dijo Brian Davison, Científico jefe de ORNL para biología de sistemas y biotecnología. "Este estudio utilizó almidón como ejemplo de cómo esta técnica puede comenzar a acceder a algunos de estos materiales estructurales nanomecánicos que actualmente no podemos observar en su entorno celular original".
Para este propósito, La capacidad del sMNA para estudiar las propiedades nanomecánicas sin dañar la muestra ofrecía ventajas sobre los métodos de microscopía tradicionales.
"A nivel de polímeros y ultraestructuras de materiales vegetales, leves cambios químicos o físicos pueden alterar el resultado de la medición, lo que hace que la interpretación de los datos sea más desafiante ", dijo Passian." Esta susceptibilidad a los cambios ha motivado mucha investigación hacia técnicas de medición no invasivas y no destructivas ".
El equipo de investigación utilizó sMNA junto con las herramientas existentes.
"Para confirmar químicamente que la composición de los gránulos observados era de hecho la del almidón, usamos espectroscopía Raman, "dijo Rubye Farahi de ORNL, un coautor del artículo.
La espectroscopía Raman de las paredes de las células de álamo confirmó que la composición química de las estructuras en forma de saco era la de los gránulos de almidón. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; y CINaM, Universidad de Aix Marsella
Próximo, El equipo desplegó sMNA y utilizó AFM para obtener imágenes de estructuras repetidas de "bloques" dentro de los gránulos con un detalle topográfico sin precedentes que revela cómo están espaciadas las estructuras.
También tomaron medidas internas y externas sobre las propiedades mecánicas del almidón, incluyendo viscoplasticidad, una medida de cómo se comporta una sustancia cuando se deforma, y el módulo de Young, una medida de la rigidez de un material.
"Esas propiedades mecánicas pueden ayudar a determinar cómo las estructuras de los gránulos de almidón podrían relacionarse con la función del resto de la planta, "Davison dijo, señalando que le gustaría seguir utilizando la técnica para estudiar materiales estructurales más complicados en álamo.
La técnica también podría aplicarse a materiales inertes, según Passian. Se imagina que se usa en polímeros sintéticos o incluso en materiales impresos en 3D.
"Si pudiéramos aplicarlo a esta estructura tan delicada, otros deberían poder hacer lo mismo con sus muestras de interés, ", Dijo Passian." Esto abre un abanico de posibilidades en biología vegetal o en cualquier otra área que tenga la necesidad de examinar materiales delicados ".
ORNL colaboró con el Centre Interdisciplinaire de Nanocience de Marseille de la Universidad Aix de Marsella, o CINaM, en este trabajo. Coautores del estudio titulado, "Nanomecánica y espectroscopia Raman de gránulos de almacenamiento de carbohidratos nativos in situ para mejorar la calidad del almidón y la producción de biomasa lignocelulósica, "incluyen a Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri y Brian H. Davison de ORNL, y Aude L. Lereu y Anne M. Charrier de la Universidad de Aix Marseille. ORNL y CINaM produjeron imágenes de manera conjunta en esta investigación.
