Исследователи из Института нанонаук и наук о жизни (WPI-NanoLSI) при университете Канадзава использовали трёхмерную атомно-силовую микроскопию (AFM) и молекулярно-динамическое моделирование, чтобы определить структуру воды при гидратации различных типов нанокристаллов хитина и выяснить, как это влияет на их механические свойства, реактивность и взаимодействие с ферментами и реагентами.
Хитин: природный полимер с уникальными свойствами
Хитин — это природный полимер, обладающий рядом привлекательных механических и химических свойств, которые многие стремятся воспроизвести в биоинженерных материалах. Природный хитин имеет одну из двух кристаллических структур: α — с антипараллельным расположением молекул — и β — с параллельным расположением молекул.
Наноструктура хитина и её влияние
Наноструктура хитина существенно влияет на химические и механические свойства материала. Структура воды, образующаяся вокруг волокон при их гидратации, также может играть значительную роль. Однако до сих пор детали этих структур были недостаточно изучены.
Теперь исследователи под руководством Айхана Юртсевера и Такэси Фукумы из Института нанонаук и наук о жизни (WPI-NanoLSI) при университете Канадзава вместе с коллегами Казихо Дайчо, Цугуюки Сайто и Нориюки Исобе из Токийского университета и экспертами по молекулярной динамике во главе с Фабио Прианте и Адамом С. Фостером из Университета Аалто (Финляндия) использовали 3D-AFM и молекулярную динамику для изучения различных структур и того, как вода формируется на них при гидратации для разных уровней pH.
Результаты этого исследования, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, объясняют различия во взаимодействии двух структур с ферментами и реагентами.
Методы исследования
Атомно-силовая микроскопия измеряет топографию поверхности и химическую информацию, отслеживая силу, действующую на наноразмерный наконечник, прикреплённый к кантилеверу. Исследователи использовали модифицированный AFM, известный как 3D-AFM, который позволил им не только визуализировать морфологию нанокристаллов хитина, но и исследовать трёхмерную локальную организацию молекул воды, окружающих эти наноструктуры.
В своём отчёте они отметили высокую степень дальнего порядка в волокнах β-хитина, структура которых до сих пор была изучена недостаточно. Они описывают, как случайные разрывы в этом порядке «приводят к структуре, напоминающей частично надкушенные початки кукурузы или кирпичную кладку».
Их изображения AFM также показали, как молекулярное расположение проходит через всё волокно. «Эти различные структурные компоненты — не просто внешние агрегаты, — объясняют они в отчёте. — Вместо этого они составляют неотъемлемую часть волокна хитина».
Исследователи также изучили структуры при различных значениях pH, чтобы увидеть, как это может повлиять на гидратированные архитектуры волокон хитина. Они обнаружили, что высокий уровень кристалличности, наблюдаемый в буферных растворах уксусной кислоты с pH 3–5, сохраняется.
Значимые выводы
Наиболее значительные выводы были получены при изучении структуры воды и водородных связей в двух кристаллических типах хитина. Они показали, как более крупные канавки в α-хитине позволяют большему накоплению воды, которая образует барьер гидратации для взаимодействий с внешними ионами и молекулами, делая их менее реактивными. Силы гидратации также были выше для α-хитина.
Они предполагают, что это может объяснить, почему определённые ферменты реагируют с хитином только в одной кристаллической форме, а не в другой. Кроме того, они предполагают, что более низкая энергетическая стоимость, связанная со структурированной гидратирующей средой β-хитина, облегчает более быстрый ферментативный доступ и оборот субстрата.
Эти выводы могут быть полезны для разработки биопротонных приложений — устройств, основанных на транспорте протонов, а не на электронике, — и гидрогелей, поскольку слой гидратации влияет на диффузию ионов и молекул.
«В совокупности эта работа связывает наноразмерную межфазную структуру с рациональными стратегиями проектирования, способствуя эффективному развитию устойчивых, биогенных наноматериалов для энергетики и биомедицинского применения», — заключают они в своём отчёте. «Кроме того, она предоставляет ценную информацию для компьютерного моделирования взаимодействий на поверхности хитина, формирования кристаллосольватов и ферментативного гидролиза, поддерживая разработку будущих стратегий проектирования материалов».