Ontrafelen van het effect van water op chitine-nanokristallen

Onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, hebben driedimensionale atomaire krachtmicroscopie (AFM) en moleculaire dynamica-simulaties gebruikt om de structuur van water te bepalen bij de hydratatie van verschillende soorten chitine-nanokristallen en hoe dit hun mechanische eigenschappen, reactiviteiten en interacties met enzymen en reactanten beïnvloedt.

Chitine is een natuurlijk voorkomend polymeer met een aantal aantrekkelijke mechanische en chemische eigenschappen die velen proberen na te bootsen in bio-engineered materialen. Natuurlijk voorkomende chitine heeft een van de twee kristalstructuren die bekend staan ​​als α – waarbij de moleculen antiparallel zijn uitgelijnd – en β – waarbij de moleculen parallel zijn uitgelijnd.

De structuur van chitine op nanoschaal heeft een grote invloed op de chemische en mechanische eigenschappen van het materiaal, en hier kan de structuur die water rond de vezels vormt wanneer ze worden gehydrateerd een belangrijke rol spelen. Tot nu toe waren de details van deze verschillende structuren echter niet goed begrepen.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van Ayhan Yurtsever en Takeshi Fukuma van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, samen met medewerkers Kaziho Daicho, Tsuguyuki Saito en Noriyuki Isobe van de Universiteit van Tokio, en experts op het gebied van moleculaire dynamica onder leiding van Fabio Priante en Adam S. Foster van Aalto University, Finland, 3D AFM en moleculaire dynamica gebruikt om de verschillende structuren te bestuderen en hoe water zich daarop vormt wanneer ze gehydrateerd voor verschillende pH-niveaus.

De resultaten van dit onderzoek, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Societygeven verklaringen voor verschillen in de manier waarop de twee structuren interageren met enzymen en reactanten.

Atoomkrachtmicroscopie meet oppervlaktetopografie en chemische informatie door de kracht te monitoren van de krachten die worden uitgeoefend op een tip op nanoschaal die aan een cantilever is bevestigd. De onderzoekers gebruikten een gemodificeerde AFM, bekend als 3D-AFM, waarmee ze niet alleen de morfologie van chitine-nanokristallen in beeld konden brengen, maar ook de driedimensionale lokale organisatie van watermoleculen rond deze nanostructuren konden onderzoeken.

In hun rapport constateerden ze een hoge mate van langeafstandsorde in de β-chitinevezels, waarvan de structuur tot nu toe minder grondig is onderzocht. Ze beschrijven hoe de incidentele breuken in die volgorde ‘leiden tot een structuur die lijkt op gedeeltelijk afgebeten maïskolven of een metselwerkpatroon’.

Hun AFM-beeldvorming liet ook zien hoe de moleculaire rangschikking dwars door de vezel loopt. “Deze verschillende structurele componenten zijn niet alleen maar externe aggregaten”, leggen ze uit in het rapport. “In plaats daarvan vormen ze een integraal onderdeel van de chitinevezel.”

De onderzoekers onderzochten ook de structuren onder verschillende pH’s, om te zien hoe dit de gehydrateerde architectuur van de chitinevezels zou kunnen beïnvloeden. Ze ontdekten dat het waargenomen hoge niveau van kristalliniteit behouden bleef in azijnzuurbufferoplossingen met een pH van 3–5.

Enkele van de belangrijkste inzichten kwamen voort uit het bestuderen van de waterstructuur en waterstofbinding op de twee kristallijne soorten chitine. Ze lieten zien hoe de grotere groeven in α-chitine een grotere ophoping van water mogelijk maakten, wat een hydratatiebarrière vormde voor interacties met externe ionen en moleculen, waardoor ze minder reactief werden. De afstotende krachten voor hydratatie waren ook hoger voor α-chitine.

Ze suggereren dat dit zou kunnen verklaren waarom bepaalde enzymen slechts in de ene kristallijne vorm met chitine reageren en niet in de andere. Bovendien stellen ze voor dat de lagere energetische straf die gepaard gaat met de gestructureerde hydratatieomgeving van β-chitine een snellere enzymatische toegang en substraatvernieuwing mogelijk maakt. Deze inzichten zouden de ontwikkeling van bioprotonische toepassingen kunnen ondersteunen – apparaten gebaseerd op het transport van protonen in plaats van elektronica – en hydrogels, omdat de hydratatielaag de ionen- en moleculaire diffusie beïnvloedt.

“Gezamenlijk koppelt dit werk de grensvlakstructuur op nanoschaal aan rationele ontwerpstrategieën, waardoor de effectieve ontwikkeling van duurzame, biogebaseerde nanomaterialen voor energie- en biomedische toepassingen wordt bevorderd”, concluderen ze in hun rapport. “Bovendien biedt het waardevolle inzichten voor de computationele modellering van chitine-oppervlakte-interacties, kristallosolvaatvorming en enzymatische hydrolyse, ter ondersteuning van de ontwikkeling van toekomstige materiaalontwerpstrategieën.”