Ett stort internationellt samarbete har använt en specialiserad teknik på den infraröda mikrospektroskopi (IRM) strållinjen vid Australian Synchrotron för att bestämma strukturen av proteiner i individuella silkesfibrer som har potentiell användning vid design av nya biomaterial med önskvärda egenskaper.

Tekniken, hyperspektral infraröd avbildning, är ett kraftfullt analysverktyg eftersom det kan etablera kopplingen mellan mikro-/nanostrukturer och specifika materialegenskaper hos biomaterial.

I undersökningen ingick forskare från Swinburne University, Tokyo Institute of Technology, Deakin University, Australian Nanofabrication Facility, Centrum för fysikaliska vetenskaper och teknik i Litauen, Dr Mark Tobin och Dr Pimm Vongsvivut från Australian Synchrotron, i en studie som publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Silkets extraordinära egenskaper är kopplade till polypeptidernas molekylära orientering och dess amorfa/kristallina sammansättning i proteinstrukturen.

"Målet var att identifiera orienteringen av proteiner i olika delar av fibern och att titta på hur laserbehandling kan förändra proteinstrukturen i silkesfibern, sa Dr Mark Tobin, Principal Scientist ‒ IR-strållinje vid Australian Synchrotron.

"Du skulle behöva känna till effekten av en laser på silke, till exempel, för att 3D-printa siden, sa Tobin.

Molekylär orientering är ansvarig för den optiska, mekaniska och termiska egenskaper hos biomaterial. I den här studien, forskarna var intresserade av att undersöka den molekylära orienteringen av specifika proteinbindningar i silket som spelar en avgörande roll för dess styrka.

Infraröd avbildning vid Australian Synchrotron kan komma åt molekylär orientering av proteinstrukturen direkt från en enda silkesfiber.

"Du kan få information om infraröd absorption som väljs baserat på orienteringen av en viss kemisk bindning, " förklarade Tobin.

Hyperspektral avbildning

"Eftersom silkesfibrerna bara är 10 mikron i diameter och den infraröda synkrotronstrålen är ungefär hälften så stor som den, vi utvecklade en optisk enhet med en germaniumkristall som gjorde att strålen kunde passera genom fiberns tvärsnitt med fyra gånger högre upplösning."

Denna specifika enhet, som utvecklades av Vongsvivut och Tobin vid Australian Synchrotron, användes nyligen framgångsrikt på kolfibrer och har visat sig vara effektivt lämplig i ett brett spektrum av applikationer.

Silke är ett halvkristallint material som är dubbelbrytande, vilket innebär att det, förutom att det absorberar polariserat ljus på ett sätt, faktiskt roterar polarisationen.

Forskarna använde ett infrarött filter för att gradvis rotera synkrotronstrålens polarisering och samlade in fyra infraröda (kemiska) bilder - var och en med polarisationen 45 grader från varandra. Denna unika metod med fyra polariseringar har utvecklats av samarbetsforskare i Japan. Använda en matematisk formel för att transformera polarisationsdata, de kunde räkna ut den molekylära orienteringen av proteinstrukturen i silkesfibrerna.

Infraröd avbildning

I en infraröd bild, färgens intensitet indikerar absorbansens styrka.

"I de infraröda våglängderna, du ser toppar i spektrat som talar om för dig var ljuset absorberas starkt, sa Tobin.

"En bindning vibrerar vid en viss energinivå vid en naturlig frekvens. Om ljus kommer in med samma frekvens, den kan absorbera en del av det infraröda ljuset och vibrera till en något högre nivå, " förklarade Tobin.

De spektra som genererades i infraröda bilder avslöjade att den primära vibrationen av Amide II-bindningen var längs hela kedjans riktning och vibrationen av Amide A-bindningen var vinkelrät mot fibern.

"Med den informationen, våra medarbetare kunde räkna ut att proteinmolekylerna orienterade sig på ett speciellt sätt i fibern."

När en pulsad laser användes på en av bindningarna, det störde Amide A-bindningen, förändra proteinstrukturen.

"Även om bulkinformationen för silkesfibrer förmodligen har varit känd, det har inte varit möjligt att mäta molekylär orientering på enstaka fibrer tidigare, sa Tobin.