- 論文全文：Wood cellulose microfibrils have a 24-chain core–shell nanostructure in seed plants
- 於2023年6月22日發表於《Nature Plants》：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01430-z
- 作者名單：Hwan-Chin Tai*, Chih-Hui Chang, Wenjie Cai, Jer-Horng Lin, Shing-Jong Huang, Qian-Yan Lin, Eric Chung-Yueh Yuan, Shu-Li Li, Ying-Chung Jimmy Lin, Jerry Chun Chung Chan*, and Cheng-Si Tsao*
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，可說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，其奈米結構卻懸而未決，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，西川正治教授就已經利用小角度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來進行定量分析。
在化學系前專任老師戴桓青教授的領導下，本研究利用台灣TPS第三代同步輻射光源的BioSAXS光束線大幅提升對於木材的測量訊號。台大材料系曹正熙兼任教授發展新穎模型，提出SAXS分析模式中加入長度效應之考慮，如果知道木材中核區與殼層的纖維素分子比例，透過擬合便可計算出核區的葡聚糖條鏈數。雖然原則上我們可以利用碳13固態核磁共振訊號測量纖維素在不同區域的比例，但由於半纖維素與纖維素的碳13訊號高度重疊，所以對此關鍵的分子比例在測量上向來有極大的誤差。為解決此難題，台大化學系陳振中教授團隊開發出GIFTED (Global Iterative Fitting of T1ρ-Edited Decay)脈衝序列，此技術利用纖維素與半纖維素分子因不同運動性的差異，在脈衝鎖場的條件下有不同衰減速率，大大提昇了纖維素在核區與殼層分子比例的精準度。結合這兩項新穎技術，我們成功估算出木材微纖絲的葡聚糖條鏈數，意外得出24條的結論，推翻了數十年來教科書中最常見的36條鏈模型。此成果解答了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。此外，GIFTED技術可廣泛應用在高分子等非晶態自然豐度的樣品，可解決或部份解決碳13光譜解析度不足的問題。
臺灣大學化學系研究生張智輝為為第一非通訊作者。GIFTED 技術由林千妍、袁崇越、黎書里共同開發。
圖一：木材結構示意圖。木材纖維素主要存在於縱向細胞次生細胞壁的S2層, 構成單元為納米微纖絲, 我們的研究結果首次確認每束微纖絲含有24條葡聚糖, 呈現出殼-核結構。