La orientación del C =O, C-N, y enlaces N-H en la estructura amida de la sección L de la fibra de seda confirmada en este estudio por la imagen hiperespectral. Crédito:Sincrotrón australiano
Una gran colaboración internacional ha utilizado una técnica especializada en la línea de luz de microspectroscopia infrarroja (IRM) en el Sincrotrón de Australia para determinar la estructura de proteínas en fibras de seda individuales que tiene un uso potencial en el diseño de nuevos biomateriales con propiedades deseables.
La técnica, imágenes infrarrojas hiperespectrales, es una poderosa herramienta analítica porque puede establecer el vínculo entre las micro / nanoestructuras y las propiedades específicas de los materiales de los biomateriales.
La investigación incluyó a investigadores de la Universidad de Swinburne, Instituto de Tecnología de Tokio, Universidad de Deakin, la instalación australiana de nanofabricación, El Centro de Ciencias Físicas y Tecnología de Lituania, Dr. Mark Tobin y Dr. Pimm Vongsvivut del Sincrotrón Australiano, en un estudio que fue publicado en Informes científicos .
Las extraordinarias propiedades de la seda están ligadas a la orientación molecular de los polipéptidos y su composición amorfa / cristalina en la estructura de la proteína.
"El objetivo era identificar la orientación de las proteínas en diferentes partes de la fibra y observar cómo el tratamiento con láser puede alterar la estructura de las proteínas en la fibra de seda". "dijo el Dr. Mark Tobin, Científico principal:línea de rayos infrarrojos en el sincrotrón australiano.
"Necesitarías conocer el efecto de un láser sobre la seda, por ejemplo, para imprimir en 3D la seda, "dijo Tobin.
La orientación molecular es responsable de la óptica, propiedades mecánicas y térmicas de biomateriales. En este estudio, los investigadores estaban interesados en investigar la orientación molecular de enlaces proteicos específicos en la seda que juegan un papel crítico en su fuerza.
Las imágenes infrarrojas en el Sincrotrón de Australia pueden acceder a la orientación molecular de la estructura de la proteína directamente desde una sola fibra de seda.
"Puede obtener información sobre la absorción de infrarrojos que se selecciona en función de la orientación de un enlace químico en particular, "explicó Tobin.
Imágenes hiperespectrales
"Debido a que las fibras de seda tienen solo 10 micrones de ancho y el haz infrarrojo del sincrotrón es aproximadamente la mitad del tamaño de eso, Desarrollamos un dispositivo óptico usando un cristal de germanio que permitió que el rayo pasara a través de la sección transversal de la fibra con una resolución cuatro veces mayor ".
Mapas ATR FT-IR de 1,9 μm de alta resolución con una resolución de 1,9 μm de las secciones transversales longitudinales (L) de seda presentadas en escala automática para una mejor visualización. Crédito:Sincrotrón australiano
Este dispositivo específico, que fue desarrollado por Vongsvivut y Tobin en el Sincrotrón Australiano, se ha utilizado recientemente con éxito en fibras de carbono y ha demostrado ser eficazmente adecuado en una amplia gama de aplicaciones.
La seda es un material semicristalino birrefringente, lo que significa que además de absorber la luz polarizada de una manera, en realidad gira la polarización.
Los investigadores utilizaron un filtro infrarrojo para rotar progresivamente la polarización del haz de sincrotrón y recolectaron cuatro imágenes infrarrojas (químicas), cada una con la polarización a 45 grados de separación. Este método único de cuatro polarizaciones fue desarrollado por investigadores colaborativos en Japón. Usando una fórmula matemática para transformar los datos de polarización, pudieron determinar la orientación molecular de la estructura de la proteína en las fibras de seda.
Imágenes infrarrojas
En una imagen infrarroja, la intensidad del color indica la fuerza de la absorbancia.
"En las longitudes de onda infrarrojas, ves picos en los espectros que te indican dónde se absorbe fuertemente la luz, "dijo Tobin.
"Un enlace vibra a un cierto nivel de energía a una frecuencia natural. Si la luz entra en la misma frecuencia, puede absorber algo de esa luz infrarroja y vibrar a un nivel ligeramente más alto, "explicó Tobin.
Los espectros generados en imágenes infrarrojas revelaron que la vibración primaria del enlace Amida II estaba en toda la dirección de la cadena y la vibración del enlace Amida A era perpendicular a la fibra.
"Con esa información, nuestros colaboradores pudieron averiguar que las moléculas de proteína se orientaban de una manera particular en la fibra ".
Cuando se utilizó un láser pulsado en uno de los enlaces, rompió el enlace Amida A, cambiando la estructura de la proteína.
"Aunque probablemente se conoce la información general de las fibras de seda, no ha sido posible medir la orientación molecular en fibras individuales antes, "dijo Tobin.
