Desvăluind efectul apei asupra nanocristalelor de chitină
Într-o cercetare recentă realizată de echipa de la Institutul de Nanotehnologie pentru Știința Vieții (WPI-NanoLSI) din cadrul Universității Kanazawa, s-a descoperit un aspect fascinant al interacțiunii dintre apă și nanocristalele de chitină. Utilizând tehnici avansate precum microscopie de forță atomică tridimensională (3D-AFM) și simulări de dinamică moleculară, cercetătorii au reușit să determine structura apei în cadrul procesului de hidratare a diferitelor tipuri de nanocristale de chitină și impactul acesteia asupra proprietăților lor mecanice, reactivității și interacțiunilor cu enzimele și reactanții.
Chitina este un polimer natural ce prezintă proprietăți mecanice și chimice atrăgătoare, care sunt vizate pentru a fi imitate în materialele bioinginerite. Există două structuri cristaline cunoscute ale chitinei: α, în care moleculele sunt aliniate antiparalel, și β, în care moleculele sunt aliniate paralel. Structura de la scară nanometrică a chitinei influențează semnificativ proprietățile chimice și mecanice ale materialului, iar modul în care apa se organizează în jurul fibrilor umede poate avea un rol important.
Până de curând, detaliile acestor structuri nu erau bine înțelese. Sub conducerea lui Ayhan Yurtsever și Takeshi Fukuma, cercetătorii au colaborat cu Kaziho Daicho, Tsuguyuki Saito și Noriyuki Isobe de la Universitatea din Tokyo, precum și cu experții în dinamică moleculară, Fabio Priante și Adam S. Foster de la Universitatea Aalto din Finlanda, pentru a explora diversele structuri și modul în care apa se formează pe acestea în funcție de diferite niveluri de pH.
Rezultatele acestui studiu, publicate în Journal of the American Chemical Society, oferă explicații pentru diferențele dintre interacțiunile celor două structuri cu enzimele și reactanții. Utilizând microscopie de forță atomică, cercetătorii au evaluat topografia suprafeței și informațiile chimice prin monitorizarea forțelor exercitate asupra unui vârf de nanoscop atașat unui cantilever. Aceștia au folosit o variantă modificată de AFM, cunoscută sub numele de 3D-AFM, care le-a permis nu doar să imagineze morfologia nanocristalelor de chitină, ci și să investigheze organizarea tridimensională locală a moleculelor de apă care le înconjoară.
În raportul lor, cercetătorii au observat un grad ridicat de ordine pe distanțe lungi în fibrile de β-chitină, ale căror structuri nu fuseseră studiate atât de intensiv până acum. Aceștia descriu cum intervalele ocazionale în acel ordin „duc la o structură ce semănă cu porumbul mușcat parțial sau cu un model de zidărie”. Imaginile lor AFM au arătat, de asemenea, cum aranjamentul molecular trece chiar prin fibră, subliniind că aceste componente structurale diferite nu sunt simple agregate externe, ci componente esențiale ale fibrei de chitină.
Cercetătorii au analizat structurile și la diferite pH-uri, pentru a explora cum acest lucru ar putea afecta arhitecturile hidratate ale fibrilor de chitină. Au descoperit că nivelul ridicat de cristalinătate observat s-a menținut în soluțiile tampon cu acid acetic, cu pH între 3 și 5.
Printre cele mai semnificative descoperiri s-au regăsit studiile asupra structurii apei și legăturilor de hidrogen dintre cele două tipuri cristaline de chitină. Aceștia au evidențiat cum canelurile mai ample din α-chitină permit o acumulare mai mare de apă, care formează o barieră de hidratare pentru interacțiunile cu ionii și moleculele externe, reducând astfel reactivitatea. De asemenea, forțele respulsive pentru hidratare au fost mai mari pentru α-chitin.
Aceste constatări sugerează motivele pentru care anumite enzime reacționează cu chitina doar în una dintre formele cristaline și nu în cealaltă. Mai mult, propun că penibilitatea energetică mai scăzută asociată cu mediu hidratat structurat al β-chitinei facilitează accesul mai rapid al enzimelor și turnover-ul substratului. Aceste observații ar putea ghida dezvoltarea de aplicații bioprotonice, adică dispozitive bazate pe transportul protonilor, în loc de electronice, și hidrogeluri, având în vedere că stratul de hidratare afectează difuzia ionilor și a moleculelor.
„În ansamblu, această lucrare corelează structura interfețială de la scară nanometrică cu strategiile de design rațional, avansând dezvoltarea eficientă a nanomaterialelor bio-bazate pentru aplicații energetice și biomedicale”, conchid cercetătorii în raportul lor. „De asemenea, oferă informații valoroase pentru modelarea computațională a interacțiunilor între suprafața chitinei, formarea cristal-solvat și hidroliza enzimatica, sprijinind dezvoltarea strategiilor viitoare de design material.”
