2H NMR緩和と13CソリッドステートNMRによる水分補給ボンビックス森絹フィブロイン繊維とフィルムにおける水の特性評価

非標識：弾力性や引張強度など、bombyx mori Silk Fibroin（SF）の機械的特性は、水分補給時に著しく変化します。ただし、水との顕微鏡的相互作用は、現在分子レベルではよく理解されていません。この研究では、SFと相互作用する水分子のダイナミクスは、2H溶液NMR緩和と交換測定によって研究されました。さらに、水和[3-13c] ala-、[3-13c] ser-、および[3-13c] Tyr-SF繊維とフィルムの立体構造は、13C DD/MAS NMRによって調査されました。逆ラプラス変換アルゴリズムを使用して、SFファイバーの水の緩和時間の4つの異なる成分を特定することができました。すなわち、A：繊維の外側のバルク水、B：繊維の表面に弱く閉じ込められた水分子、C：繊維の内面にある結合水分子、およびD：繊維は識別可能でした。さらに、メタノールに30秒間浸漬したSFフィルムの水の4つの成分も観察されましたが、フィルムの2つの成分のみがメタノールに24時間浸漬されました。それぞれ、SERおよびTYR残基がそれぞれ選択的に標識されたSFのSERおよび非結晶ドメインにおけるSERおよびTYR残基の立体構造に対する影響を独立して決定できます。私たちの測定は、水の特性と絹の水和構造を関連付ける新しい洞察を提供します。これは、新しい絹ベースの生体材料の設計に現在の関心に照らして関連しています。 重要性の声明：Bombyx Mori Silk Fibroin（SF）の機械的特性は、水分補給時に著しく変化します。ただし、SFと水の間の微視的相互作用は、分子レベルでは現在十分に理解されていません。2HソリューションNMR緩和と交換測定により、SFファイバーの水の緩和時間の4つの異なる成分を特定することができました。さらに、13C選択的に標識されたSFの部位固有の結晶および非結晶ドメインにおけるSERおよびTYR残基の立体構造に対する水和の影響は、独立して決定できます。したがって、私たちの測定値は、水の特性と絹の水和構造を関連付ける新しい洞察を提供します。これは、新しい絹ベースの生体材料の設計に現在の関心に照らして関連しています。

UNLABELLED: The mechanical properties of Bombyx mori silk fibroin (SF), such as elasticity and tensile strength, change remarkably upon hydration. However, the microscopic interaction with water is not currently well understood on a molecular level. In this work, the dynamics of water molecules interacting with SF was studied by 2H solution NMR relaxation and exchange measurements. Additionally, the conformations of hydrated [3-13C]Ala-, [3-13C]Ser-, and [3-13C]Tyr-SF fibers and films were investigated by 13C DD/MAS NMR. Using an inverse Laplace transform algorithm, we were able to identify four distinct components in the relaxation times for water in SF fiber. Namely, A: bulk water outside the fiber, B: water molecules trapped weakly on the surface of the fiber, C: bound water molecules located in the inner surface of the fiber, and D: bound water molecules located in the inner part of the fiber were distinguishable. In addition, four components were also observed for water in the SF film immersed in methanol for 30s, while only two components for the film immersed in methanol for 24h. The effects of hydration on the conformation of Ser and Tyr residues in the site-specific crystalline and non-crystalline domains of 13C selectively labeled SF, respectively, could be determined independently. Our measurements provide new insight relating the characteristics of water and the hydration structure of silk, which are relevant in light of current interest in the design of novel silk-based biomaterials. STATEMENTS OF SIGNIFICANCE: The mechanical properties of Bombyx mori silk fibroin (SF) change remarkably upon hydration. However, the microscopic interaction between SF and water is not currently well understood on a molecular level. We were able to identify four distinct components in the relaxation times for water in SF fiber by 2H solution NMR relaxation and exchange measurements. In addition, the effects of hydration on the conformation of Ser and Tyr residues in the site-specific crystalline and non-crystalline domains of 13C selectively labeled SF, respectively, could be determined independently. Thus, our measurements provide new insight relating the characteristics of water and the hydration structure of silk, which are relevant in light of current interest in the design of novel silk-based biomaterials.