Вода раскрывает тайны хитина: Новые открытия в наномасштабе⁠⁠

Исследователи из Института нанотехнологий (WPI-NanoLSI) Университета Канадзавы применили трехмерную атомно-силовую микроскопию (3D-АСМ) и молекулярную динамику, чтобы изучить, как вода структурируется вокруг нанокристаллов хитина при гидратации. Это помогло понять влияние на механические свойства, реактивность и взаимодействия с ферментами и реагентами.

Хитин — природный полимер с двумя кристаллическими формами: α (антипараллельные молекулы) и β (параллельные). Его наноструктура критически влияет на свойства, а гидратационная оболочка воды играет ключевую роль, хотя детали оставались загадкой.

Команда во главе с Айханом Юрцевером и Такеши Фукумой из WPI-NanoLSI, совместно с экспертами из Токийского университета (Казихо Дайчо, Цугуюки Сайто, Нориюки Изобе) и Университета Аалто (Фабио Прианте, Адам С. Фостер), использовала 3D-АСМ для 3D-визуализации поверхности и водных структур вокруг нановолокон. Метод моделирования молекулярной динамики дополнил анализ при разных pH.

Результаты, опубликованные в журнале Американского химического общества, объясняют различия в взаимодействиях хитина с ферментами и реагентами. 3D-АСМ показал высокую упорядоченность β-хитина, с нарушениями, напоминающими "частично надкусанные кукурузные початки или кирпичную кладку". Структура пронизывает волокно целиком, а не ограничивается поверхностью.

При pH 3–5 в буферных растворах уксусной кислоты кристалличность сохраняется. Ключевые открытия касаются водных слоев и водородных связей: α-хитин формирует более крупные бороздки, накапливая воду и создавая гидратационный барьер от ионов и молекул, снижая реактивность. Силы отталкивания при гидратации выше, что объясняет избирательность ферментов — некоторые реагируют только с одной формой.

β-хитин, напротив, имеет менее энергозатратную гидратационную среду, ускоряя ферментативный доступ и обмен субстрата. Эти insights открывают путь к биопротонным устройствам (на основе переноса протонов, а не электронов) и гидрогелям, где гидратационный слой влияет на диффузию ионов.

"Работа связывает наноструктуру поверхности с дизайном устойчивых биоматериалов для энергетики и медицины", — заключают авторы. Она также улучшит компьютерное моделирование взаимодействий хитина, образования кристаллосольватов и ферментативного гидролиза, стимулируя инновации в материалах будущего.