Kitin, polimer alami yang ditemukan dalam cangkang krustasea, kerangka luar serangga, dan dinding sel jamur, memiliki potensi besar sebagai bahan penyusun bahan rekayasa hayati. Para peneliti kini telah memperoleh pemahaman yang lebih rinci tentang bagaimana air berinteraksi dengan berbagai bentuk kitin pada skala nano, dan bagaimana hal ini berdampak pada sifat material dan potensi penerapannya.
Peran Air dalam Perilaku Kitin
Struktur kitin berskala nano sangat mempengaruhi sifat kimia dan mekaniknya. Ketika kitin terhidrasi—artinya ia dikelilingi oleh air—cara molekul air mengatur dirinya di sekitar material dapat sangat memengaruhi perilakunya. Hingga saat ini, struktur spesifik dari “lapisan hidrasi” ini sebagian besar masih belum jelas, sehingga membatasi kemampuan kita untuk sepenuhnya memanfaatkan potensi kitin.
Upaya Kolaboratif Mengungkap Misteri
Sebuah tim peneliti dari Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) Universitas Kanazawa, berkolaborasi dengan para ahli dari Universitas Tokyo dan Universitas Aalto di Finlandia, telah mencapai kemajuan signifikan dalam menjelaskan struktur ini. Dengan menggunakan teknik canggih—mikroskop gaya atom tiga dimensi (3D-AFM) dan simulasi dinamika molekuler—mereka mampu mengamati dan memodelkan bagaimana molekul air menyusun dirinya di sekitar berbagai bentuk kitin terhidrasi.
Dua Bentuk Kitin: α dan β
Kitin secara alami terdapat dalam dua struktur kristal utama: α dan β. Perbedaan utama terletak pada bagaimana rantai panjang molekul diselaraskan: dalam bentuk α, molekul-molekul tersebut berjalan antiparalel, sedangkan dalam bentuk β, molekul-molekul tersebut berjalan paralel. Perbedaan yang tampak kecil ini ternyata memiliki pengaruh yang sangat besar terhadap interaksi air dengan material.
3D-AFM: Memvisualisasikan Organisasi Air
Mikroskop gaya atom (AFM) adalah teknik yang digunakan untuk memetakan permukaan material pada skala nano. Para peneliti menggunakan versi AFM yang dimodifikasi, yang disebut 3D-AFM, yang memungkinkan mereka tidak hanya memvisualisasikan bentuk nanokristal kitin, tetapi juga menganalisis susunan tiga dimensi molekul air di sekitarnya.
Struktur Unik dalam β Kitin
Analisis tim mengungkapkan adanya keteraturan tingkat tinggi dalam bentuk β kitin, yang kurang dipelajari secara menyeluruh di masa lalu. Mereka sesekali mengamati adanya kerusakan pada urutan ini, sehingga menghasilkan pola yang “menyerupai pola tongkol jagung yang digigit sebagian atau pola batu bata”. Khususnya, pola struktural meluas ke seluruh serat kitin, tidak hanya di permukaan.
Dampak Tingkat pH
Para peneliti juga menyelidiki bagaimana perbedaan tingkat pH—keasaman atau alkalinitas—memengaruhi struktur serat kitin terhidrasi. Mereka menemukan bahwa tingkat kristalinitas tinggi yang diamati tetap dipertahankan bahkan dalam larutan buffer asam dengan pH 3–5.
α vs. β: Pengaruh Air terhadap Reaktivitas
Salah satu temuan paling signifikan dari penelitian ini adalah perbedaan struktur air dan ikatan hidrogen antara dua bentuk kristal kitin. Alur pada kitin α lebih besar, memungkinkan akumulasi air lebih besar, sehingga secara efektif menciptakan “penghalang hidrasi” yang menghalangi interaksi dengan ion dan molekul, sehingga kurang reaktif. Sebaliknya, lingkungan hidrasi terstruktur β-kitin menurunkan penghalang energi untuk akses dan reaksi enzim.
Pemahaman ini dapat menjelaskan mengapa enzim tertentu bereaksi dengan kitin hanya dalam satu bentuk kristal dan tidak dalam bentuk kristal lainnya.
Implikasi terhadap Aplikasi Berbasis Bio
Pemahaman baru tentang peran air dalam sifat kitin memiliki implikasi penting bagi pengembangan teknologi berbasis bio. Para peneliti berpendapat bahwa pengetahuan ini dapat menjadi masukan bagi pembuatan aplikasi bioprotonik —perangkat yang mengandalkan transpor proton—dan hidrogel karena lapisan hidrasi memengaruhi difusi ion dan molekul. Pemahaman mendalam tentang lapisan hidrasi akan memungkinkan optimalisasi material berbasis kitin untuk aplikasi spesifik, membuka potensi penuhnya di berbagai bidang seperti teknik biomedis dan ilmu material berkelanjutan.
