A quitina, um polímero natural encontrado em conchas de crustáceos, exoesqueletos de insetos e paredes celulares de fungos, é uma promessa significativa como alicerce para materiais de bioengenharia. Os pesquisadores agora obtiveram uma compreensão mais detalhada de como a água interage com diferentes formas de quitina em nanoescala e como isso afeta as propriedades do material e aplicações potenciais.
O papel da água no comportamento da quitina
A estrutura em nanoescala da quitina influencia fortemente suas propriedades químicas e mecânicas. Quando a quitina está hidratada – o que significa que está rodeada de água – a forma como as moléculas de água se organizam em torno do material pode impactar profundamente o seu comportamento. Até agora, as estruturas específicas desta “camada de hidratação” permaneceram em grande parte obscuras, limitando a nossa capacidade de aproveitar plenamente o potencial da quitina.
Um esforço colaborativo para desvendar o mistério
Uma equipe de pesquisadores do Nano Life Science Institute da Universidade de Kanazawa (WPI-NanoLSI), em colaboração com especialistas da Universidade de Tóquio e da Universidade de Aalto, na Finlândia, fez progressos significativos na elucidação dessas estruturas. Usando técnicas avançadas – microscopia tridimensional de força atômica (3D-AFM) e simulações de dinâmica molecular – eles foram capazes de observar e modelar como as moléculas de água se organizam em torno de diferentes formas de quitina hidratada.
Duas formas de quitina: α e β
A quitina ocorre naturalmente em duas estruturas cristalinas principais: α e β. A principal diferença reside na forma como as longas cadeias de moléculas estão alinhadas: na forma α, elas correm de forma antiparalela, enquanto na forma β, elas correm paralelamente. Esta diferença aparentemente pequena tem um efeito surpreendentemente grande na forma como a água interage com o material.
3D-AFM: Visualizando a Organização da Água
A microscopia de força atômica (AFM) é uma técnica usada para mapear a superfície de materiais em nanoescala. Os pesquisadores empregaram uma versão modificada do AFM, chamada 3D-AFM, que lhes permitiu não apenas visualizar a forma dos nanocristais de quitina, mas também analisar o arranjo tridimensional das moléculas de água circundantes.
Estruturas Únicas em β Quitina
A análise da equipe revelou um alto grau de ordem na forma β da quitina, que foi menos estudada no passado. Eles observaram quebras ocasionais nesta ordem, resultando em um padrão que “lembra espigas de milho parcialmente mordidas ou um padrão de alvenaria”. Notavelmente, os padrões estruturais estendem-se por toda a fibra de quitina, não apenas na superfície.
O impacto dos níveis de pH
Os pesquisadores também investigaram como diferentes níveis de pH – acidez ou alcalinidade – afetavam as estruturas das fibras de quitina hidratadas. Eles descobriram que o alto nível de cristalinidade observado foi mantido mesmo em soluções tampão ácidas com pH de 3–5.
α vs. β: Influência da Água na Reatividade
Uma das descobertas mais significativas do estudo foi a diferença na estrutura da água e nas ligações de hidrogênio entre as duas formas cristalinas de quitina. Os sulcos da α quitina são maiores, permitindo maior acúmulo de água, criando efetivamente uma “barreira de hidratação” que dificulta as interações com íons e moléculas, tornando-a menos reativa. Em contraste, o ambiente de hidratação estruturado da β-quitina reduz a barreira energética para acesso e reação enzimática.
Esses insights poderiam explicar por que certas enzimas reagem com a quitina apenas em uma forma cristalina e não na outra.
Implicações para aplicações de base biológica
Esta nova compreensão do papel da água nas propriedades da quitina tem implicações importantes para o desenvolvimento de tecnologias de base biológica. Os pesquisadores sugerem que esse conhecimento poderia informar a criação de aplicações bioprotônicas – dispositivos que dependem do transporte de prótons – e hidrogéis porque a camada de hidratação influencia a difusão iônica e molecular. A compreensão diferenciada das camadas de hidratação permitirá a otimização de materiais à base de quitina para aplicações específicas, liberando todo o seu potencial em áreas como engenharia biomédica e ciência de materiais sustentáveis.
