L'orientation du C = O, C-N, et les liaisons N-H dans la structure amide de la section L de la fibre de soie confirmées dans cette étude par l'imagerie hyperspectrale. Crédit :Synchrotron Australien
Une grande collaboration internationale a utilisé une technique spécialisée sur la ligne de lumière de microspectroscopie infrarouge (IRM) au synchrotron australien pour déterminer la structure des protéines dans les fibres de soie individuelles qui a une utilisation potentielle dans la conception de nouveaux biomatériaux avec des propriétés souhaitables.
La technique, imagerie infrarouge hyper-spectrale, est un outil d'analyse puissant car il permet d'établir le lien entre les micro-/nano-structures et les propriétés matérielles spécifiques des biomatériaux.
L'enquête comprenait des chercheurs de l'Université de Swinburne, Institut de technologie de Tokyo, Université Deakin, l'installation australienne de nanofabrication, Le Centre des sciences physiques et technologiques de Lituanie, Dr Mark Tobin et Dr Pimm Vongsvivut du Synchrotron australien, dans une étude publiée dans Rapports scientifiques .
Les propriétés extraordinaires de la soie sont liées à l'orientation moléculaire des polypeptides et à sa composition amorphe/cristalline dans la structure protéique.
"L'objectif était d'identifier l'orientation des protéines dans différentes parties de la fibre et d'examiner comment le traitement au laser peut modifier la structure des protéines dans la fibre de soie, " a déclaré le Dr Mark Tobin, Chercheur principal ‒ Ligne de lumière IR au Synchrotron Australien.
"Il faudrait connaître l'effet d'un laser sur la soie, par exemple, afin d'imprimer en 3D la soie, " dit Tobin.
L'orientation moléculaire est responsable de l'optique, propriétés mécaniques et thermiques des biomatériaux. Dans cette étude, les chercheurs étaient intéressés à étudier l'orientation moléculaire de liaisons protéiques spécifiques dans la soie qui jouent un rôle essentiel dans sa résistance.
L'imagerie infrarouge au synchrotron australien peut accéder à l'orientation moléculaire de la structure de la protéine directement à partir d'une seule fibre de soie.
"Vous pouvez obtenir des informations d'absorption infrarouge sélectionnées en fonction de l'orientation d'une liaison chimique particulière, " expliqua Tobin.
Imagerie hyper-spectrale
"Parce que les fibres de soie ne font que 10 microns de diamètre et que le faisceau infrarouge du synchrotron fait environ la moitié de sa taille, nous avons développé un dispositif optique utilisant un cristal de germanium qui permettait au faisceau de traverser la section transversale de la fibre à une résolution quatre fois plus élevée."
Cartes ATR FT-IR haute résolution de 1,9 μm à une résolution de 1,9 μm des sections transversales longitudinales (L) de la soie présentées à l'échelle automatique pour une meilleure visualisation. Crédit :Synchrotron Australien
Cet appareil spécifique, qui a été développé par Vongsvivut et Tobin au synchrotron australien, a récemment été utilisé avec succès sur les fibres de carbone et s'est avéré efficace dans une large gamme d'applications.
La soie est un matériau semi-cristallin qui est biréfringent, ce qui signifie qu'en plus d'absorber la lumière polarisée d'une manière, il fait tourner la polarisation.
Les chercheurs ont utilisé un filtre infrarouge pour faire pivoter progressivement la polarisation du faisceau synchrotron et ont collecté quatre images infrarouges (chimiques) ‒ chacune avec une polarisation distante de 45 degrés. Cette méthode unique à quatre polarisations a été développée par des chercheurs collaboratifs au Japon. En utilisant une formule mathématique pour transformer les données de polarisation, ils ont pu déterminer l'orientation moléculaire de la structure protéique dans les fibres de soie.
Imagerie infrarouge
Dans une image infrarouge, l'intensité de la couleur indique la force de l'absorbance.
"Dans les longueurs d'onde infrarouges, vous voyez des pics dans les spectres qui vous indiquent où la lumière est fortement absorbée, " dit Tobin.
"Un lien vibre à un certain niveau d'énergie à une fréquence naturelle. Si la lumière entre à la même fréquence, il peut absorber une partie de cette lumière infrarouge et vibrer à un niveau légèrement plus élevé, " expliqua Tobin.
Les spectres générés dans les images infrarouges ont révélé que la vibration primaire de la liaison Amide II était tout au long de la direction de la chaîne et que la vibration de la liaison Amide A était perpendiculaire à la fibre.
"Avec ces informations, nos collaborateurs ont pu découvrir que les molécules protéiques s'orientaient d'une manière particulière dans la fibre."
Lorsqu'un laser pulsé a été utilisé sur l'une des liaisons, il a perturbé la liaison amide A, modifier la structure des protéines.
"Bien que l'information globale sur les fibres de soie soit probablement connue, il n'a pas été possible de mesurer l'orientation moléculaire sur des fibres simples auparavant, " dit Tobin.
