La quitina, un polímero natural que se encuentra en los caparazones de los crustáceos, los exoesqueletos de los insectos y las paredes celulares de los hongos, es muy prometedor como componente básico de los materiales de bioingeniería. Los investigadores ahora han obtenido una comprensión más detallada de cómo el agua interactúa con diferentes formas de quitina a nanoescala y cómo esto afecta las propiedades del material y sus posibles aplicaciones.
El papel del agua en el comportamiento de la quitina
La estructura a nanoescala de la quitina influye fuertemente en sus propiedades químicas y mecánicas. Cuando la quitina está hidratada (es decir, rodeada de agua), la forma en que las moléculas de agua se organizan alrededor del material puede afectar profundamente su comportamiento. Hasta ahora, las estructuras específicas de esta “capa de hidratación” no han quedado claras, lo que limita nuestra capacidad para aprovechar plenamente el potencial de la quitina.
Un esfuerzo colaborativo para desentrañar el misterio
Un equipo de investigadores del Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) de la Universidad de Kanazawa, en colaboración con expertos de la Universidad de Tokio y la Universidad Aalto en Finlandia, ha logrado avances significativos en el esclarecimiento de estas estructuras. Utilizando técnicas avanzadas (microscopía de fuerza atómica tridimensional (3D-AFM) y simulaciones de dinámica molecular), pudieron observar y modelar cómo las moléculas de agua se organizan alrededor de diferentes formas de quitina hidratada.
Dos formas de quitina: α y β
La quitina se produce naturalmente en dos estructuras cristalinas principales: α y β. La principal diferencia radica en cómo están alineadas las largas cadenas de moléculas: en la forma α, corren antiparalelas, mientras que en la forma β, corren paralelas. Esta diferencia aparentemente pequeña tiene un efecto sorprendentemente grande en la forma en que el agua interactúa con el material.
3D-AFM: Visualizando la organización del agua
La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una técnica utilizada para mapear la superficie de materiales a nanoescala. Los investigadores emplearon una versión modificada de AFM, llamada 3D-AFM, que les permitió no sólo visualizar la forma de los nanocristales de quitina, sino también analizar la disposición tridimensional de las moléculas de agua circundantes.
Estructuras únicas en β quitina
El análisis del equipo reveló un alto grado de orden en la forma β de quitina, que se ha estudiado menos a fondo en el pasado. Observaron roturas ocasionales en este orden, lo que dio como resultado un patrón que “se asemeja a mazorcas de maíz parcialmente mordidas o un patrón de ladrillo”. En particular, los patrones estructurales se extienden por toda la fibra de quitina, no sólo en la superficie.
El impacto de los niveles de pH
Los investigadores también investigaron cómo los diferentes niveles de pH (acidez o alcalinidad) afectaban las estructuras de las fibras de quitina hidratadas. Descubrieron que el alto nivel de cristalinidad observado se mantenía incluso en soluciones tampón ácidas con un pH de 3 a 5.
α vs. β: Influencia del agua en la reactividad
Uno de los hallazgos más significativos del estudio fue la diferencia en la estructura del agua y los enlaces de hidrógeno entre las dos formas cristalinas de quitina. Los surcos de la α quitina son más grandes, lo que permite una mayor acumulación de agua, creando efectivamente una “barrera de hidratación” que dificulta las interacciones con iones y moléculas, haciéndola menos reactiva. Por el contrario, el entorno de hidratación estructurado de la β-quitina reduce la barrera energética para el acceso y la reacción de las enzimas.
Estos conocimientos podrían explicar por qué determinadas enzimas reaccionan con la quitina sólo en una forma cristalina y no en la otra.
Implicaciones para las aplicaciones de base biológica
Esta nueva comprensión del papel del agua en las propiedades de la quitina tiene implicaciones importantes para el desarrollo de tecnologías de base biológica. Los investigadores sugieren que este conocimiento podría informar la creación de aplicaciones bioprotónicas (dispositivos que dependen del transporte de protones) y hidrogeles porque la capa de hidratación influye en la difusión iónica y molecular. La comprensión matizada de las capas de hidratación permitirá la optimización de materiales basados en quitina para aplicaciones específicas, liberando todo su potencial en áreas como la ingeniería biomédica y la ciencia de materiales sostenibles.
