Afsløret: Her er den molekylære struktur af ubehandlet silke

Videnskabelige nybrud 5. mar 2023 4 min Postdoctoral Fellow Giulia Giubertoni Skrevet af Kristian Sjøgren

Forskere har brugt avanceret todimensionel infrarød spektroskopi til at undersøge den molekylære struktur af ubehandlet silke fra silkesommerfuglelarver. Undersøgelsen viser, at det er muligt at studere de molekylære egenskaber af byggestenene i rene biomaterialer uden brug af kras kemisk behandling, der kan ændre byggestenenes struktur.

Forskere, ingeniører og virksomheder over hele verden har en særlig interessere i at forstå, hvordan mange af naturens materialer fungerer.

Årsagen er, at naturen mange gange gør tingene meget bedre, end vi kan. Bedre forståelse af de molekylære strukturer kan hjælpe forskere og industrien med at genskabe lignende biomaterialer i laboratoriekolber eller store produktionstanke.

Tag for eksempel edderkoppesilke, der er et af de stærkeste materialer på planeten. Samtidig er det fleksibelt og kan tilpasse sig omgivelserne, for eksempel ændre karakter, når det regner. Det indtil videre ubesvarede spørgsmål er dog, hvordan edderkoppesilke opnår disse mekaniske egenskaber.

Nu viser et nyt forskningsarbejde, hvordan man kan bruge todimensionel infrarød spektroskopi direkte på et biomateriale til at afsløre de iboende proteinstrukturer, som ligger grund for biomaterialets mekaniske egenskaber.

"Alle biomaterialer fra knogler til edderkoppesilke har behov for specifikke mekaniske egenskaber for at udfylde deres biologiske rolle. For eksempel skal både hud og edderkoppesilke være elastisk, for at de ikke revner, når de deformeres," fortæller en af forskerne bag studiet, postdoc Giulia Giubertoni fra Amsterdam Universitet.

Giulia Giubertoni har i studiet samarbejdet med professor Sander Woutersen.

Forskningen, der er offentliggjort i Biomacromoleculeser resultatet af et samarbejde mellem Amsterdam Universitet, University of Sheffield og Aarhus Universitet.

Biomaterialet mister sine særlige mekaniske egenskaber

Edderkoppesilke rummer sammen med andre biomaterialer potentialerne til at blive enorme industrielle eventyr, men det kræver, at man kan lave blandt andet edderkoppesilke kunstigt, da det har vist sig, at det er så godt som umuligt at høste det fra levende edderkopper.

Hvis vi skal kunne lave edderkoppesilke kunstigt, har vi dog brug for at få kortlagt den molekylære struktur af de bagvedliggende byggesten, typisk proteiner, og hvordan strukturen forandrer sig, når det biologiske materiale er udsat for eksterne forandringer som ændringer i temperatur eller luftfugtighed, eller når det deformeres.

De mekaniske egenskaber er defineret af de proteiner, som biomaterialet er sammensat af, og hvis der er fejl i proteinsekvensen, mister biomaterialet sine særlige mekaniske egenskaber, hvilket fører til svigt af dets biologiske funktion.

”I denne undersøgelse viser vi, hvordan en speciel teknik kan give større indsigt i et biomateriales proteinstruktur uden først at bearbejde biomaterialet. Det giver forskere mulighed for også at forstå, hvordan proteinstrukturen ændrer sig, når biomaterialet tilpasser sine mekaniske egenskaber til ændringer i miljøet,” siger Giulia Giubertoni.

Brugte bedre infrarød spektroskopi

Infrarød spektroskopi er en af de mest benyttede teknikker til at studere molekylære egenskaber af de byggesten, som biomaterialer er opbygget af.

Denne teknologi er ganske glimrende til at studere netop de funktionelle biomaterialer, som Giulia Giubertoni er interesseret i, men den molekylære information er ofte ikke tilstrækkelig. Det vil sige, at uanset hvordan man vender og drejer det, er det ikke muligt at få indsigt i alle aspekter af proteinstrukturen og de mekaniske egenskaber.

I det nye studie har forskerne i stedet benyttet en anden teknologi til at studere ren silke fra silkesommerfuglelarver.

Silke fra sommerfuglelarver er interessant at studere, fordi forskere kan studere den rene silke uden først at skulle forarbejde silken, for eksempel have den i en opløsning eller lignende. Det er samtidig et såkaldt proof-of-concept på, at det er muligt at lave analyser på rene biomaterialer, der ikke undergår nogen form for kemisk forarbejdning.

Edderkoppespind i skoven

Derudover benyttede forskerne todimensionel infrarød spektroskopi til at studere silken. Denne teknologi til at studere biomaterialer er mere kompliceret i forhold til den mere konventionelle infrarøde spektroskopi.

Todimensionel infrarød spektroskopi kan dog ofte give meget mere information om de molekylære detaljer, fordi den er sensitiv over for koblingen mellem vibrationer i proteiner, hvilket indeholder detaljerede strukturelle informationer.

"Med todimensionel infrarød spektroskopi kan vi få mere molekylær information vedrørende byggestenene i biomaterialer, og vi kan observere, hvordan den molekylære struktur bliver påvirket, når biomaterialet udsættes for forandringer i miljøet," forklarer Giulia Giubertoni.

Fordi forskerne ikke er nødt til at forbehandle biomaterialet, inden de studerer det, åbner det op for også at undersøge, hvordan biomaterialet fungerer under forskellige forhold.

Tager man som eksempel et edderkoppespind i skoven, skal det være stabilt og funktionelt både midt i middagssolen, hvor alt er tørt, men også tidligt om morgenen, hvor det er fyldt med dug, og hvor vægten af vandet ikke må få edderkoppespindet til at kollapse.

Biomaterialer tilpasser sig omgivelserne

De mekaniske egenskaber gemt i proteinstrukturen gør, at edderkoppespindet kan håndtere begge scenarier, netop fordi edderkoppesilken kan ændre proteinstruktur og tilpasse sig de forskellige betingelser.

Da forskerne ikke skal bringe deres biomateriale i opløsning, inden de analyserer det med todimensionel infrarød spektroskopi, kan de også simulere forskellige betingelser og kortlægge, hvordan biomaterialet opfører sig afhængigt af omgivelserne.

"Det er den helt store fordel ved at kunne udføre vores undersøgelser på rene biomaterialer," forklarer Giulia Giubertoni.

Større indsigt i forskellige biomaterialer vil gøre det lettere at skabe dem i laboratoriet eller forstå, hvad der sker, når biomaterialerne ikke fungerer, som de skal.

Vil blive klogere på ”glasbørn”

Næste skridt i Giulia Giubertonis forskning er blandt andet at blive klogere på kollagen, og hvorfor kollagen ikke fungerer, som det skal, ved udvikling af forskellige sygdomme. Denne del af forskningen er støttet af Dutch Research Council (NWO).

For eksempel er én enkelt mutation i de proteiner, som kollagen er opbygget af, årsagen til sygdommen osteogenesis imperfecta, som giver anledning til de såkaldte ”glasbørn”, der har så skrøbelige knogler, at de brækker hele tiden og ved den mindste belastning.

Børnene lever i sagens natur ikke lang tid.

"Hvis vi vil lave bedre materialer med inspiration fra naturen, eller hvis vi vil forstå, hvad der mekanisk går galt i vores kroppe ved udvikling af forskellige sygdomme, er vi nødt til at forstå forbindelsen mellem de molekylære og makroskopiske egenskaber i prøver, der er så tæt som muligt på at være rene biomaterialer. I dette studie har vi vist, at todimensionel infrarød spektroskopi i kombination med andre teknikker måske kan hjælpe os til at få netop den indsigt," siger Giulia Giubertoni.

"In Situ Identification of Secondary Structures in Unpurified Bombyx mori Silk Fibrils Using Polarized Two-Dimensional Infrared Spectroscopy" er udgivet i Biomacromolecules. Medforfatter Tobias Weidner har i 2018 og 2019 modtaget støtte fra Novo Nordisk Fonden til projekterne "Nanosurface Scattering Sum Frequency Spectrometer-NanoScat" og "Deciphering the Role of Atmospheric Microbial Aerosols (DRAMA)".

Giubertoni is a post-doctoral fellow at the Van't Hoff Institute for Molecular Sciences of the University of Amsterdam. Together with Prof.S.Woutersen...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020