L'orientamento del C = O, C-N, e legami NH nella struttura ammidica della sezione L della fibra di seta confermati in questo studio dall'imaging iperspettrale. Credito:sincrotrone australiano
Un'ampia collaborazione internazionale ha utilizzato una tecnica specializzata sulla linea di luce della microspettroscopia a infrarossi (IRM) presso il sincrotrone australiano per determinare la struttura delle proteine nelle singole fibre di seta che ha un potenziale utilizzo nella progettazione di nuovi biomateriali con proprietà desiderabili.
La tecnica, imaging a infrarossi iperspettrale, è un potente strumento analitico perché può stabilire il legame tra micro/nano-strutture e proprietà materiali specifiche dei biomateriali.
L'indagine ha coinvolto ricercatori della Swinburne University, Istituto di tecnologia di Tokyo, Università Deakin, l'Australian Nanofabrication Facility, Il Centro per le scienze fisiche e la tecnologia in Lituania, Il dottor Mark Tobin e il dottor Pimm Vongsvivut dell'Australian Synchrotron, in uno studio pubblicato su Rapporti scientifici .
Le straordinarie proprietà della seta sono legate all'orientamento molecolare dei polipeptidi e alla sua composizione amorfa/cristallina nella struttura proteica.
"L'obiettivo era identificare l'orientamento delle proteine in diverse parti della fibra e osservare come il trattamento laser può alterare la struttura proteica nella fibra di seta, " ha detto il dottor Mark Tobin, Principal Scientist ‒ Linea di luce IR al sincrotrone australiano.
"Avresti bisogno di conoscere l'effetto di un laser sulla seta, Per esempio, per stampare in 3D la seta, " disse Tobin.
L'orientamento molecolare è responsabile dell'ottica, proprietà meccaniche e termiche dei biomateriali. In questo studio, i ricercatori erano interessati a studiare l'orientamento molecolare di specifici legami proteici nella seta che svolgono un ruolo fondamentale nella sua forza.
L'imaging a infrarossi presso l'Australian Synchrotron può accedere all'orientamento molecolare della struttura proteica direttamente da una singola fibra di seta.
"È possibile ottenere informazioni sull'assorbimento dell'infrarosso selezionate in base all'orientamento di un particolare legame chimico, " ha spiegato Tobin.
Imaging iperspettrale
"Poiché le fibre di seta sono larghe solo 10 micron e il raggio infrarosso di sincrotrone è grande circa la metà di quello, abbiamo sviluppato un dispositivo ottico utilizzando un cristallo di germanio che consentiva al raggio di passare attraverso la sezione trasversale della fibra con una risoluzione quattro volte superiore".
Mappe FT-IR ATR da 1,9 μm ad alta risoluzione con una risoluzione di 1,9 μm delle sezioni trasversali longitudinali (L) della seta presentate in scala automatica per una migliore visualizzazione. Credito:sincrotrone australiano
Questo specifico dispositivo, che è stato sviluppato da Vongsvivut e Tobin presso l'Australian Synchrotron, è stato recentemente utilizzato con successo su fibre di carbonio e ha dimostrato di essere efficientemente adatto in un'ampia gamma di applicazioni.
La seta è un materiale semicristallino birifrangente, il che significa che oltre ad assorbire la luce polarizzata in un modo, in realtà ruota la polarizzazione.
I ricercatori hanno utilizzato un filtro a infrarossi per ruotare progressivamente la polarizzazione del raggio di sincrotrone e hanno raccolto quattro immagini a infrarossi (chimiche), ognuna con la polarizzazione di 45 gradi l'una dall'altra. Questo metodo unico di quattro polarizzazioni è stato sviluppato dai ricercatori collaborativi in Giappone. Utilizzando una formula matematica per trasformare i dati di polarizzazione, sono stati in grado di elaborare l'orientamento molecolare della struttura proteica nelle fibre di seta.
Imaging a infrarossi
In un'immagine a infrarossi, l'intensità del colore indica la forza dell'assorbanza.
"Nelle lunghezze d'onda infrarosse, vedi picchi negli spettri che ti dicono dove la luce viene fortemente assorbita, " disse Tobin.
"Un legame vibra a un certo livello di energia a una frequenza naturale. Se la luce entra alla stessa frequenza, può assorbire parte di quella luce infrarossa e vibrare a un livello leggermente più alto, " ha spiegato Tobin.
Gli spettri generati nelle immagini a infrarossi hanno rivelato che la vibrazione primaria del legame ammidico II era lungo tutta la direzione della catena e la vibrazione del legame ammidico A era perpendicolare alla fibra.
"Con queste informazioni, i nostri collaboratori sono riusciti a capire che le molecole proteiche si orientavano in modo particolare nella fibra".
Quando un laser pulsato è stato utilizzato su uno dei legami, ha interrotto il legame ammidico A, modificando la struttura proteica.
"Sebbene la maggior parte delle informazioni sulle fibre di seta fosse probabilmente nota, non è stato possibile misurare l'orientamento molecolare su singole fibre prima, " disse Tobin.
