Chitin, ein natürlich vorkommendes Polymer, das in Krustentierpanzern, Insekten-Exoskeletten und Pilzzellwänden vorkommt, ist als Baustein für biotechnologisch hergestellte Materialien vielversprechend. Forscher haben nun ein detaillierteres Verständnis darüber gewonnen, wie Wasser im Nanomaßstab mit verschiedenen Formen von Chitin interagiert und wie sich dies auf die Eigenschaften und möglichen Anwendungen des Materials auswirkt.
Die Rolle von Wasser im Verhalten von Chitin
Die nanoskalige Struktur von Chitin beeinflusst stark seine chemischen und mechanischen Eigenschaften. Wenn Chitin hydratisiert ist, also von Wasser umgeben ist, kann die Art und Weise, wie sich Wassermoleküle um das Material herum organisieren, dessen Verhalten tiefgreifend beeinflussen. Bisher waren die spezifischen Strukturen dieser „Hydratationsschicht“ weitgehend unklar, was unsere Möglichkeiten einschränkte, das Potenzial von Chitin voll auszuschöpfen.
Eine gemeinsame Anstrengung, das Geheimnis zu lüften
Ein Forscherteam des Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) der Universität Kanazawa hat in Zusammenarbeit mit Experten der Universität Tokio und der Aalto-Universität in Finnland erhebliche Fortschritte bei der Aufklärung dieser Strukturen erzielt. Mit fortschrittlichen Techniken – dreidimensionaler Rasterkraftmikroskopie (3D-AFM) und Molekulardynamiksimulationen – konnten sie beobachten und modellieren, wie sich Wassermoleküle um verschiedene Formen von hydratisiertem Chitin anordnen.
Zwei Formen von Chitin: α und β
Chitin kommt natürlicherweise in zwei Hauptkristallstrukturen vor: α und β. Der Hauptunterschied liegt in der Ausrichtung der langen Molekülketten: In der α-Form verlaufen sie antiparallel, während sie in der β-Form parallel verlaufen. Dieser scheinbar kleine Unterschied hat einen überraschend großen Einfluss darauf, wie Wasser mit dem Material interagiert.
3D-AFM: Visualisierung der Organisation von Wasser
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist eine Technik zur Kartierung der Oberfläche von Materialien im Nanomaßstab. Die Forscher verwendeten eine modifizierte Version von AFM, genannt 3D-AFM, die es ihnen ermöglichte, nicht nur die Form der Chitin-Nanokristalle sichtbar zu machen, sondern auch die dreidimensionale Anordnung der umgebenden Wassermoleküle zu analysieren.
Einzigartige Strukturen in β-Chitin
Die Analyse des Teams ergab einen hohen Grad an Ordnung in der β-Form von Chitin, die in der Vergangenheit weniger gründlich untersucht wurde. Sie beobachteten gelegentliche Brüche in dieser Reihenfolge, was zu einem Muster führte, das „teilweise angebissenen Maiskolben oder einem Mauerwerksmuster ähnelt“. Bemerkenswert ist, dass sich die Strukturmuster über die gesamte Chitinfaser erstrecken, nicht nur auf der Oberfläche.
Der Einfluss des pH-Wertes
Die Forscher untersuchten auch, wie sich unterschiedliche pH-Werte – Säure oder Alkalität – auf die Strukturen der hydratisierten Chitinfasern auswirken. Sie fanden heraus, dass der beobachtete hohe Kristallinitätsgrad auch in sauren Pufferlösungen mit einem pH-Wert von 3–5 erhalten blieb.
α vs. β: Der Einfluss von Wasser auf die Reaktivität
Eines der bedeutendsten Ergebnisse der Studie war der Unterschied in der Wasserstruktur und der Wasserstoffbindung zwischen den beiden kristallinen Formen von Chitin. Die Rillen im α-Chitin sind größer, was eine stärkere Wasseransammlung ermöglicht und effektiv eine „Hydratationsbarriere“ schafft, die Wechselwirkungen mit Ionen und Molekülen verhindert und es weniger reaktiv macht. Im Gegensatz dazu senkt die strukturierte Hydratationsumgebung von β-Chitin die Energiebarriere für den Zugang und die Reaktion von Enzymen.
Diese Erkenntnisse könnten erklären, warum bestimmte Enzyme mit Chitin nur in einer kristallinen Form reagieren und nicht in der anderen.
Implikationen für biobasierte Anwendungen
Dieses neue Verständnis der Rolle von Wasser für die Eigenschaften von Chitin hat wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung biobasierter Technologien. Die Forscher vermuten, dass dieses Wissen die Entwicklung von bioprotonischen Anwendungen – Geräten, die auf Protonentransport basieren – und Hydrogeln beeinflussen könnte, da die Hydratationsschicht die Ionen- und Moleküldiffusion beeinflusst. Das differenzierte Verständnis der Hydratationsschichten wird die Optimierung chitinbasierter Materialien für spezifische Anwendungen ermöglichen und ihr volles Potenzial in Bereichen wie der biomedizinischen Technik und der nachhaltigen Materialwissenschaft erschließen.
