La chitina, un polimero naturale presente nei gusci dei crostacei, negli esoscheletri degli insetti e nelle pareti cellulari dei funghi, è molto promettente come elemento costitutivo per materiali di bioingegneria. I ricercatori hanno ora acquisito una comprensione più dettagliata di come l’acqua interagisce con diverse forme di chitina su scala nanometrica e di come ciò influisce sulle proprietà del materiale e sulle potenziali applicazioni.
Il ruolo dell’acqua nel comportamento della chitina
La struttura su scala nanometrica della chitina influenza fortemente le sue proprietà chimiche e meccaniche. Quando la chitina è idratata, ovvero circondata da acqua, il modo in cui le molecole d’acqua si organizzano attorno al materiale può influenzarne profondamente il comportamento. Fino ad ora, le strutture specifiche di questo “strato di idratazione” sono rimaste in gran parte poco chiare, limitando la nostra capacità di sfruttare appieno il potenziale della chitina.
Uno sforzo collaborativo per svelare il mistero
Un team di ricercatori del Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) dell’Università di Kanazawa, in collaborazione con esperti dell’Università di Tokyo e dell’Università di Aalto in Finlandia, ha compiuto progressi significativi nel chiarire queste strutture. Utilizzando tecniche avanzate – microscopia tridimensionale a forza atomica (3D-AFM) e simulazioni di dinamica molecolare – sono stati in grado di osservare e modellare il modo in cui le molecole d’acqua si dispongono attorno a diverse forme di chitina idratata.
Due forme di chitina: α e β
La chitina si presenta naturalmente in due strutture cristalline principali: α e β. La differenza principale sta nel modo in cui le lunghe catene di molecole sono allineate: nella forma α corrono in modo antiparallelo, mentre nella forma β corrono parallele. Questa differenza apparentemente piccola ha un effetto sorprendentemente grande sul modo in cui l’acqua interagisce con il materiale.
3D-AFM: visualizzare l’organizzazione dell’acqua
La microscopia a forza atomica (AFM) è una tecnica utilizzata per mappare la superficie dei materiali su scala nanometrica. I ricercatori hanno utilizzato una versione modificata dell’AFM, chiamata 3D-AFM, che ha permesso loro non solo di visualizzare la forma dei nanocristalli di chitina, ma anche di analizzare la disposizione tridimensionale delle molecole d’acqua circostanti.
Strutture uniche nella β chitina
L’analisi del team ha rivelato un elevato grado di ordine nella forma β della chitina, che in passato era stata studiata meno approfonditamente. Hanno osservato rotture occasionali in questo ordine, risultando in uno schema che “assomiglia a pannocchie parzialmente morsicate o a uno schema di mattoni”. In particolare, i modelli strutturali si estendono su tutta la fibra di chitina, non solo sulla superficie.
L’impatto dei livelli di pH
I ricercatori hanno anche studiato come diversi livelli di pH – acidità o alcalinità – influenzassero le strutture delle fibre di chitina idratate. Hanno scoperto che l’elevato livello di cristallinità osservato veniva mantenuto anche in soluzioni tampone acide con un pH compreso tra 3 e 5.
α vs. β: influenza dell’acqua sulla reattività
Uno dei risultati più significativi dello studio è stata la differenza nella struttura dell’acqua e nei legami idrogeno tra le due forme cristalline di chitina. I solchi nell’α chitina sono più grandi, consentendo un maggiore accumulo di acqua, creando di fatto una “barriera di idratazione” che ostacola le interazioni con ioni e molecole, rendendola meno reattiva. Al contrario, l’ambiente di idratazione strutturato della β-chitina abbassa la barriera energetica per l’accesso e la reazione degli enzimi.
Queste intuizioni potrebbero spiegare perché alcuni enzimi reagiscono con la chitina solo in una forma cristallina e non nell’altra.
Implicazioni per le applicazioni di origine biologica
Questa nuova comprensione del ruolo dell’acqua nelle proprietà della chitina ha importanti implicazioni per lo sviluppo di tecnologie biobased. I ricercatori suggeriscono che questa conoscenza potrebbe favorire la creazione di applicazioni bioprotoniche (dispositivi che si basano sul trasporto di protoni) e di idrogel perché lo strato di idratazione influenza la diffusione ionica e molecolare. La comprensione sfumata degli strati di idratazione consentirà l’ottimizzazione dei materiali a base di chitina per applicazioni specifiche, sbloccando il loro pieno potenziale in aree come l’ingegneria biomedica e la scienza dei materiali sostenibili.
