Ny infrarød billeddannelsesteknik afslører molekylær orientering af proteiner i silkefibre

Et stort internationalt samarbejde har brugt en specialiseret teknik på den infrarøde mikrospektroskopi (IRM) beamline ved Australian Synchrotron til at bestemme strukturen af ​​proteiner i individuelle silkefibre, der har potentiel anvendelse ved design af nye biomaterialer med ønskelige egenskaber.

Teknikken, hyper-spektral infrarød billeddannelse, er et kraftfuldt analyseværktøj, fordi det kan etablere forbindelsen mellem mikro-/nanostrukturer og specifikke materialegenskaber for biomaterialer.

Undersøgelsen omfattede forskere fra Swinburne University, Tokyo Institute of Technology, Deakin University, den australske nanofabrikationsfacilitet, Center for Fysisk Videnskab og Teknologi i Litauen, Dr. Mark Tobin og Dr. Pimm Vongsvivut fra Australian Synchrotron, i en undersøgelse, der blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

De ekstraordinære egenskaber ved silke er knyttet til molekylær orientering af polypeptider og dets amorfe/krystallinske sammensætning i proteinstrukturen.

"Målet var at identificere orienteringen af ​​proteiner i forskellige dele af fiberen og at se på, hvordan laserbehandling kan ændre proteinstrukturen i silkefibrene, "sagde Dr. Mark Tobin, Principal Scientist - IR beamline ved Australian Synchrotron.

"Du bliver nødt til at kende effekten af ​​en laser på silke, for eksempel, for at 3D -printe silken, sagde Tobin.

Molekylær orientering er ansvarlig for det optiske, biomaterialers mekaniske og termiske egenskaber. I dette studie, forskerne var interesserede i at undersøge den molekylære orientering af specifikke proteinbindinger i silken, der spiller en afgørende rolle i dens styrke.

Infrarød billeddannelse ved Australian Synchrotron kan få adgang til molekylær orientering af proteinstrukturen direkte fra en enkelt silkefiber.

"Du kan få infrarød absorptionsinformation, der er valgt baseret på orienteringen af ​​en bestemt kemisk binding, "forklarede Tobin.

Hyper-spektral billeddannelse

"Fordi silkefibrene kun er 10 mikron på tværs og synkrotron infrarød stråle er omkring halvdelen af ​​størrelsen af ​​den, vi udviklede en optisk enhed ved hjælp af en germaniumkrystal, der tillod strålen at passere gennem fiberens tværsnit ved fire gange højere opløsning. "

Denne specifikke enhed, som blev udviklet af Vongsvivut og Tobin ved Australian Synchrotron, blev for nylig brugt med succes på kulfiber og har vist sig at være effektivt egnet til en lang række anvendelser.

Silke er et halvkrystallinsk materiale, der er dobbeltbrydende, hvilket betyder såvel som at absorbere polariseret lys på en måde det faktisk roterer polarisationen.

Forskerne brugte et infrarødt filter til gradvist at rotere polarisationen af ​​synkrotronstrålen og indsamlede fire infrarøde (kemiske) billeder - hver med polarisationen 45 grader fra hinanden. Denne unikke fire polarisationsmetode blev udviklet af de kollaborative forskere i Japan. Ved hjælp af en matematisk formel til at transformere polarisationsdata, de var i stand til at regne ud den molekylære orientering af proteinstrukturen i silkefibrene.

Infrarød billeddannelse

I et infrarødt billede, farveintensiteten angiver absorbansens styrke.

"I de infrarøde bølgelængder, du ser toppe i spektrene, der fortæller dig, hvor lyset absorberes stærkt, sagde Tobin.

"En binding vibrerer ved et bestemt energiniveau ved en naturlig frekvens. Hvis lys kommer ind med samme frekvens, det kan absorbere noget af det infrarøde lys og vibrere til et lidt højere niveau, "forklarede Tobin.

De spektre, der blev genereret i infrarøde billeder, afslørede, at den primære vibration af Amide II -bindingen var langs hele kæderetningen, og vibrationen af ​​Amide A -bindingen var vinkelret på fiberen.

"Med disse oplysninger, vores samarbejdspartnere var i stand til at regne ud, at proteinmolekylerne orienterede på en bestemt måde i fiberen. "

Når der blev brugt en pulserende laser på en af ​​bindingerne, det forstyrrede Amide A -bindingen, ændring af proteinstrukturen.

"Selvom hovedoplysningerne om silkefibre sandsynligvis har været kendt, det har ikke været muligt at måle molekylær orientering på enkeltfibre før, sagde Tobin.