Een grote internationale samenwerking heeft een gespecialiseerde techniek op de infraroodmicrospectroscopie (IRM) bundellijn bij de Australische Synchrotron gebruikt om de structuur van eiwitten in individuele zijdevezels te bepalen die mogelijk kunnen worden gebruikt bij het ontwerp van nieuwe biomaterialen met gewenste eigenschappen.

De techniek, hyperspectrale infraroodbeeldvorming, is een krachtig analytisch hulpmiddel omdat het de link kan leggen tussen micro-/nanostructuren en specifieke materiaaleigenschappen van biomaterialen.

Het onderzoek omvatte onderzoekers van de Swinburne University, Tokio Instituut voor Technologie, Deakin-universiteit, de Australische Nanofabrication Facility, Het Centrum voor Exacte Wetenschappen en Technologie in Litouwen, Dr Mark Tobin en Dr Pimm Vongsvivut van de Australische Synchrotron, in een studie die werd gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

De buitengewone eigenschappen van zijde zijn gekoppeld aan de moleculaire oriëntatie van polypeptiden en de amorfe/kristallijne samenstelling in de eiwitstructuur.

"Het doel was om de oriëntatie van eiwitten in verschillende delen van de vezel te identificeren en te kijken hoe laserbehandeling de eiwitstructuur in de zijdevezel kan veranderen, " zei dr. Mark Tobin, Principal Scientist ‒ IR-bundellijn bij de Australische Synchrotron.

"Je zou het effect van een laser op zijde moeten kennen, bijvoorbeeld, om de zijde 3D te printen, ' zei Tobin.

Moleculaire oriëntatie is verantwoordelijk voor de optische, mechanische en thermische eigenschappen van biomaterialen. In dit onderzoek, de onderzoekers waren geïnteresseerd in het onderzoeken van de moleculaire oriëntatie van specifieke eiwitbindingen in de zijde die een cruciale rol spelen in de sterkte ervan.

Infraroodbeeldvorming bij de Australische Synchrotron kan rechtstreeks vanuit een enkele zijdevezel toegang krijgen tot de moleculaire oriëntatie van de eiwitstructuur.

"Je kunt infraroodabsorptie-informatie verkrijgen die is geselecteerd op basis van de oriëntatie van een bepaalde chemische binding, ’ legde Tobin uit.

Hyperspectrale beeldvorming

"Omdat de zijdevezels slechts 10 micron breed zijn en de synchrotron-infraroodstraal ongeveer half zo groot is, we hebben een optisch apparaat ontwikkeld dat gebruikmaakt van een germaniumkristal waarmee de straal met een vier keer hogere resolutie door de dwarsdoorsnede van de vezel kon gaan."

Dit specifieke apparaat, die werd ontwikkeld door Vongsvivut en Tobin bij de Australische Synchrotron, werd onlangs met succes gebruikt op koolstofvezels en is efficiënt geschikt gebleken voor een breed scala aan toepassingen.

Zijde is een semi-kristallijn materiaal dat dubbelbrekend is, wat betekent dat het gepolariseerd licht niet alleen op één manier absorbeert, maar ook de polarisatie roteert.

De onderzoekers gebruikten een infraroodfilter om de polarisatie van de synchrotronstraal progressief te roteren en verzamelden vier infrarood (chemische) beelden - elk met de polarisatie 45 graden uit elkaar. Deze unieke vier-polarisatiemethode is ontwikkeld door de samenwerkende onderzoekers in Japan. Met behulp van een wiskundige formule om de polarisatiegegevens te transformeren, ze konden de moleculaire oriëntatie van de eiwitstructuur in de zijdevezels bepalen.

Infrarood beeldvorming

In een infraroodbeeld is de intensiteit van de kleur geeft de sterkte van de absorptie aan.

"In de infrarode golflengten, je ziet pieken in de spectra die je vertellen waar het licht sterk geabsorbeerd wordt, ' zei Tobin.

"Een binding trilt op een bepaald energieniveau op een natuurlijke frequentie. Als licht met dezelfde frequentie binnenkomt, het kan een deel van dat infraroodlicht absorberen en naar een iets hoger niveau trillen, ’ legde Tobin uit.

De in infraroodbeelden gegenereerde spectra onthulden dat de primaire trilling van de Amide II-binding in de hele richting van de ketting was en dat de trilling van de Amide A-binding loodrecht op de vezel was.

"Met die informatie onze medewerkers hebben kunnen achterhalen dat de eiwitmoleculen zich op een bepaalde manier in de vezel oriënteren."

Wanneer een gepulseerde laser werd gebruikt op een van de bindingen, het verstoorde de amide A-binding, het veranderen van de eiwitstructuur.

"Hoewel de bulkinformatie van zijdevezels waarschijnlijk bekend is, het was niet eerder mogelijk om de moleculaire oriëntatie op enkele vezels te meten, ' zei Tobin.