Chitine, een natuurlijk voorkomend polymeer dat voorkomt in de schelpen van schaaldieren, exoskeletten van insecten en celwanden van schimmels, is veelbelovend als bouwsteen voor bio-engineered materialen. Onderzoekers hebben nu een gedetailleerder inzicht gekregen in de interactie van water met verschillende vormen van chitine op nanoschaal, en hoe dit de eigenschappen en potentiële toepassingen van het materiaal beïnvloedt.
De rol van water in het gedrag van chitine
De structuur op nanoschaal van chitine heeft een sterke invloed op de chemische en mechanische eigenschappen ervan. Wanneer chitine gehydrateerd is, wat betekent dat het omgeven is door water, kan de manier waarop watermoleculen zich rond het materiaal organiseren een diepgaande invloed hebben op het gedrag ervan. Tot nu toe zijn de specifieke structuren van deze ‘hydratatielaag’ grotendeels onduidelijk gebleven, waardoor ons vermogen om het potentieel van chitine volledig te benutten werd beperkt.
Een gezamenlijke poging om het mysterie te ontrafelen
Een team van onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) van de Kanazawa Universiteit, in samenwerking met experts van de Universiteit van Tokio en de Aalto Universiteit in Finland, heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het ophelderen van deze structuren. Met behulp van geavanceerde technieken – driedimensionale atomaire krachtmicroscopie (3D-AFM) en moleculaire dynamica-simulaties – konden ze observeren en modelleren hoe watermoleculen zichzelf rond verschillende vormen van gehydrateerde chitine rangschikken.
Twee vormen van chitine: α en β
Chitine komt van nature voor in twee belangrijke kristallijne structuren: α en β. Het belangrijkste verschil ligt in de manier waarop de lange ketens van moleculen zijn uitgelijnd: in de α-vorm lopen ze antiparallel, terwijl ze in de β-vorm parallel lopen. Dit ogenschijnlijk kleine verschil heeft een verrassend groot effect op de interactie van water met het materiaal.
3D-AFM: De organisatie van water visualiseren
Atoomkrachtmicroscopie (AFM) is een techniek die wordt gebruikt om het oppervlak van materialen op nanoschaal in kaart te brengen. De onderzoekers gebruikten een aangepaste versie van AFM, 3D-AFM genaamd, waarmee ze niet alleen de vorm van de chitine-nanokristallen konden visualiseren, maar ook de driedimensionale rangschikking van de omringende watermoleculen konden analyseren.
Unieke structuren in β-chitine
De analyse van het team bracht een hoge mate van orde aan het licht in de β-vorm van chitine, die in het verleden minder grondig is bestudeerd. Ze observeerden af en toe breuken in deze volgorde, wat resulteerde in een patroon dat “lijkt op gedeeltelijk afgebeten maïskolven of een metselwerkpatroon.” Opvallend is dat de structurele patronen zich door de gehele chitinevezel uitstrekken, en niet alleen op het oppervlak.
De impact van pH-niveaus
De onderzoekers onderzochten ook hoe verschillende pH-niveaus (zuurgraad of alkaliteit) de structuren van de gehydrateerde chitinevezels beïnvloedden. Ze ontdekten dat het waargenomen hoge niveau van kristalliniteit zelfs in zure bufferoplossingen met een pH van 3-5 gehandhaafd bleef.
α versus β: de invloed van water op de reactiviteit
Een van de belangrijkste bevindingen van het onderzoek was het verschil in waterstructuur en waterstofbinding tussen de twee kristallijne vormen van chitine. De groeven in α-chitine zijn groter, waardoor een grotere wateraccumulatie mogelijk is, waardoor effectief een ‘hydratatiebarrière’ ontstaat die interacties met ionen en moleculen belemmert, waardoor het minder reactief wordt. Daarentegen verlaagt de gestructureerde hydratatieomgeving van β-chitine de energiebarrière voor toegang en reactie van enzymen.
Deze inzichten zouden kunnen verklaren waarom bepaalde enzymen slechts in de ene kristallijne vorm met chitine reageren en niet in de andere.
Implicaties voor biogebaseerde toepassingen
Dit nieuwe begrip van de rol van water in de eigenschappen van chitine heeft belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van biogebaseerde technologieën. De onderzoekers suggereren dat deze kennis zou kunnen bijdragen aan de creatie van bioprotonische toepassingen – apparaten die afhankelijk zijn van protonentransport – en hydrogels omdat de hydratatielaag de ionen- en moleculaire diffusie beïnvloedt. Het genuanceerde begrip van de hydratatielagen zal de optimalisatie van op chitine gebaseerde materialen voor specifieke toepassingen mogelijk maken, waardoor hun volledige potentieel wordt ontsloten op gebieden als biomedische technologie en duurzame materiaalkunde.
