臺灣大學攜手同步輻射中心合作解開木材纖維素的百年難題 成果刊於國際知名期刊 Nature Plants
木材是人類發展史中重要的基礎材料與能源來源,也是未來可永續利用的再生性資源。木材細胞壁中的纖維素占一半重量比例,是地球上最豐富的有機物質,占全球生物質量的四分之一。雖然木材纖維素的結構研究已有百年歷史,其奈米結構卻仍不明朗,每束纖維素微纖絲(cellulose microfibril)含有多少條葡聚糖是爭議的焦點。
雖然電子顯微鏡與原子力顯微鏡具備解析單分子鏈的能力,卻無法分辨葡聚糖與周圍包覆的半纖維素,無法直接計算微纖絲的條鏈數。早在1913年,日本物理學家西川正治已經利用小角度X光散射(SAXS)觀察到木材纖維素的分子排列具有方向性,但是百年來卻一直缺乏完整的理論模型進行定量分析。
在臺大化學系前專任老師戴桓青教授的引領合作下,這項研究利用TPS第三代同步輻射光源的BioSAXS光束線,對於木材的測量訊號得到大幅提升。臺大材料系兼任教授曹正熙發展新穎模型,將微纖絲區分為結晶核區與半結晶殼層,進而發現高Q值的形狀因子來自於核區的散射,而非過去所誤解的整束微纖絲的散射。曹教授提出SAXS分析模式中加入長度效應,解決以前學者分析模式所造成習之以久的誤差,透過擬合可計算出核區的條鏈數。同時,臺大化學系教授陳振中的研究團隊開發出GIFTED (Global Iterative Fitting of T1ρ-Edited Decay)的固態核磁共振技術,依照分子運動性的差異,可測量完整木材中核區與殼層的分子比例。結合這2項新穎技術,估算出木材微纖絲的葡聚糖條鏈數,意外得出24條的結論,推翻數十年來教科書中最常見的36條鏈模型。
近年來也有專家提出假說,認為纖維素合成酶所製造的微纖絲最初只有18條鏈,後來經過晶體融合(crystalline fusion),寬度或許接近24條鏈。若此假說成立,木材經過千年老化,半纖維素分解後,融合程度應該會增加,X光繞射測得的晶粒寬度也會增加。臺大研究團隊恰好搜集一批珍貴的古琴木材樣品,經歷500至2000年的自然老化,利用同步輻射進行SAXS與繞射實驗,並未發現融合現象,反而觀察到聚集現象(aggregation)而晶粒寬度不變。由此可知,新木材的微纖絲並非處於融合狀態,每束微纖絲保持分離,具備24條鏈核殼結構,裸子植物與被子植物皆相似。此成果解答木材細胞壁研究百年來的纖維素結構難題,對於木材基因改良與纖維素資源的未來永續利用,具有重大意義。
此研究以“Wood cellulose microfibrils have a 24-chain core-shell nanostructure in seed plants”為題,發表於國際知名期刊Nature子期刊Nature Plants。臺大化學系研究生張智輝為第一作者,材料系兼任教授曹正熙與化學系教授陳振中為共同通訊作者,植科所副教授林盈仲為共同作者。發表全文請詳見:https://www.nature.com/articles/s41477-023-01430-z。