Há um interesse crescente em todo o mundo no uso de madeira como isqueiro, alternativa de construção mais sustentável para aço e concreto. Embora a madeira tenha sido usada em edifícios por milênios, suas propriedades mecânicas não, ainda, medido de acordo com todos os padrões de construção modernos para as principais superestruturas. Isso se deve em parte a uma compreensão limitada da estrutura precisa das células da madeira.

A pesquisa, publicado hoje no jornal Fronteiras na ciência vegetal , também identificou a planta Arabidopsis thaliana como um modelo adequado para ajudar a direcionar futuros programas de melhoramento florestal.

Dr. Jan Lyczakowski, o primeiro autor do artigo do Departamento de Bioquímica da Universidade de Cambridge, que agora está baseado na Universidade Jagiellonian, disse, “É a arquitetura molecular da madeira que determina sua resistência, mas até agora não sabíamos o arranjo molecular preciso das estruturas cilíndricas chamadas macrofibrilas nas células da madeira. Esta nova técnica nos permitiu ver a composição das macrofibrilas, e como o arranjo molecular difere entre as plantas, e nos ajuda a entender como isso pode afetar a densidade e a resistência da madeira. "

Os principais blocos de construção de madeira são as paredes secundárias em torno de cada célula de madeira, que são feitos de uma matriz de grandes polímeros chamados celulose e hemicelulose, e impregnado com lignina. Árvores como a sequóia gigante só podem atingir suas vastas alturas por causa dessas paredes celulares secundárias, que fornecem uma estrutura rígida ao redor das células em seus troncos.

A equipe do Departamento de Bioquímica da Universidade de Cambridge e do Laboratório Sainsbury (SLCU) adaptou a microscopia eletrônica de varredura de baixa temperatura (crio-SEM) para criar imagens da arquitetura em nanoescala das paredes das células de árvores em seu estado vivo. Isso revelou os detalhes microscópicos das macrofibrilas da parede celular secundária, que são 1000 vezes mais estreitos do que a largura de um cabelo humano.

Para comparar diferentes árvores, eles coletaram amostras de madeira de abetos, árvores de gingko e choupo no Jardim Botânico da Universidade de Cambridge. As amostras foram congeladas rapidamente a menos de 200 ° C para preservar as células em seu estado hidratado vivo, em seguida, revestido com um filme de platina ultrafino com três nanômetros de espessura para dar um bom contraste visível ao microscópio.

"Nosso crio-SEM é um avanço significativo em relação às técnicas utilizadas anteriormente e nos permitiu obter imagens de células de madeira hidratadas pela primeira vez", disse o Dr. Raymond Wightman, Gerente de Microscopy Core Facility na SLCU. "Ele revelou que existem estruturas de macrofibrilas com um diâmetro superior a 10 nanômetros em ambas as espécies de fibra longa e dura, e confirmou que são comuns em todas as árvores estudadas. "

O Cryo-SEM é uma ferramenta de imagem poderosa para ajudar a compreender vários processos subjacentes ao desenvolvimento da planta. A microscopia anterior de madeira foi limitada a amostras de madeira desidratada que tiveram que ser secas, aquecidos ou quimicamente processados ​​antes que pudessem ser visualizados.

A equipe também fotografou as paredes celulares secundárias de Arabidopsis thaliana, uma planta anual amplamente utilizada como planta de referência padrão para pesquisas em genética e biologia molecular. Eles descobriram que ele também tinha estruturas macrofibrilas proeminentes. Esta descoberta significa que Arabidopsis pode ser usado como um modelo para futuras pesquisas sobre arquitetura em madeira. Usando uma coleção de plantas Arabidopsis com diferentes mutações relacionadas à formação da parede celular secundária, a equipe foi capaz de estudar o envolvimento de moléculas específicas na formação e maturação de macrofibrilas.

Dr. Matthieu Bourdon, um associado de pesquisa na SLCU, disse, "As variantes de Arabidopsis nos permitiram determinar a contribuição de diferentes moléculas - como a celulose, xilana e lignina - para a formação e maturação de macrofibrilas. Como resultado, agora estamos desenvolvendo uma melhor compreensão dos processos envolvidos na montagem das paredes celulares. "

A riqueza de recursos genéticos de Arabidopsis oferece uma ferramenta valiosa para estudar mais a complexa deposição de polímeros de parede celular secundária, e seu papel na definição da estrutura fina das paredes celulares e como estas amadurecem em madeira.

"Visualizar a arquitetura molecular da madeira nos permite investigar como a mudança do arranjo de certos polímeros dentro dela pode alterar sua resistência, "disse o professor Paul Dupree, um co-autor do estudo no Departamento de Bioquímica de Cambridge. "Entender como os componentes da madeira se unem para formar estruturas superfortes é importante para entender como as plantas amadurecem, e para o design de novos materiais. "

“Há um interesse crescente em todo o mundo em usar a madeira como um material de construção mais leve e ecológico, "acrescentou Dupree." Se pudermos aumentar a resistência da madeira, podemos começar a ver mais construções importantes mudando do aço e concreto para a madeira. "