Kierownik: dr inz. Justyna Cybulska

Zespół: dr hab. Artur Zdunek, prof. IA PAN; dr Piotr Pieczywek; dr Eryk Łopaciuk; mgr Arkadiusz Kozioł; dr Joanna Mierczyńska - współpraca

Polisacharydy ścian komórkowych, celuloza, hemiceluloza i pektyny, posiadają bardzo ciekawe właściwości zarówno jako oddzielne biopolimery jak i kompozyty. Dotychczas nie wszystkie interakcje pomiędzy tymi polisacharydami są wyjaśnione, wciąż rozwijane są nowe możliwości ich zastosowań. Kolejnymi interesującymi i nie poznanymi związkami są polisacharydy zewnątrzkomórkowe produkowane przez algi i bakterie. Biorąc pod uwagę aktualne trendy w badaniach polisacharydów na świecie [3] oraz własne, udokumentowane doświadczenia [1, 2, 3], jako cel badań w najbliższych latach objęliśmy modelowanie właściwości mechanicznych oraz fizyko-chemicznych polisacharydów roślinnych i zewnątrzkomórkowych.
Polisacharydy roślinne  pełnią wiele funkcji biologicznych, mogą też być wykorzystywane jako materiały funkcjonalne w inżynierii żywności, farmacji, medycynie, jako składniki materiałów opakowaniowych i konstrukcyjnych. Polisacharydy zewnątrzkomórkowe, jak np. celuloza produkowana przez Gluconacetobacter xylinus czy też polisacharydy produkowane przez algi, ze względu na czystość i dostępność stanowią potencjalne źródło żywności i energii. Polisacharydy mogą podlegać licznym modyfikacjom pod wpływem zewnętrznych czynników fizycznych (np. ciśnienie, temperatura, ultradźwięki) i chemicznych (np. różne rozpuszczalniki, stężenie jonów wodorowych, jony metali) [4, 5, 6]. Ze względu na złożoną budowę i obecność różnych grup funkcyjnych mogą wchodzić w reakcje z różnymi związkami chemicznymi.

Rys. 1. Nanostruktura samoorganizującej się frakcji pektyn rozpuszczalnych w węglanie sodu.	Rys.2. Nanostruktura egzopolisacharydu produkowanego przez mikroalgi Dictyosphaerium chlorelloides.

Efektem naukowym badań będą modele opisujące budowę oraz wzajemne interakcje polisacharydów ściany komórkowej. Uzyskane informacje pozwolą na lepsze poznanie funkcji pełnionych przez te związki w kształtowaniu właściwości ścian komórkowych roślin. Dzięki modelowaniu interakcji celulozy, hemicelulozy oraz pektyn z innymi związkami chemicznymi możliwe będzie odkrywanie nowych funkcji użytkowych tych związków w kontekście ich nowych zastosowań. Badania nad strukturą polisacharydów zewnątrzkomórkowych mają na celu opis ich budowy chemicznej i właściwości fizycznych i określenia możliwości ich wykorzystania.
Badania modelowe będą realizowane za pomocą metod obliczeniowych. Planuje się opracowanie modelowych cząsteczek  celulozy, hemicelulozy na przykładzie xyloglukanu XXXG oraz pektyn na przykładzie homogalakturonianu oraz ramnogalakturonianu typu I. Modelowe cząsteczki zostaną poddane działaniu sił zewnętrznych, a wyniki tych symulacji zostaną porównane z eksperymentami AFM. Opracowana zostanie metoda testu rozciągania polisacharydów przy użyciu AFM. Teoretyczne widma oscylacyjne będą użyte do interpretacji widm doświadczalnych uzyskanych z substancji wzorcowych. Posłużą do szczegółowego opisu drgań odpowiadających za powstawanie poszczególnych pasm na widmach Ramana i FT-IR.
Planuje się także wykorzystanie polisacharydów zewnątrzkomórkowych produkowanych przez algi Dictyosphaerium chlorelloides do badań nanostrukturalnych w zakresie możliwości ich samoorganizacji. Nanostruktura tych polisacharydów zostanie zobrazowana za pomocą mikroskopii sil atomowych a uzyskane obrazy zostaną poddane automatycznej analizie obrazu z wykorzystaniem dostępnego oprogramowania oraz metod opracowanych w Zakładzie.
Realizacja zadania przyczyni się do rozwoju wiedzy na temat nanostruktury i budowy molekularnej polisacharydów pochodzenia naturalnego. Specjalność ta cieszy się dużym zainteresowaniem wśród naukowców na świecie, natomiast w niewielkim stopniu jest rozwijana w Polsce. W Zakładzie Mikrostruktury i Mechaniki Biomateriałów ta tematyka jest systematycznie rozwijana  od 2006 roku i przynosi wymierne rezultaty w postaci publikacji i projektów. Podejście do tego zagadnienia podjęte przez Zespół jest interdyscyplinarne i zawiera elementy biofizyki, biotechnologii, chemii i biologii. Wyniki tych badań są wykorzystywane także praktycznie, m.in. w rozwijanych w Zakładzie technologiach przetwórstwa polisacharydów.

1. Cybulska J., Brzyska A., Zdunek A., Woliński K. (2014) AFM study on pectin structure form carrot and simulation of force spectroscopy of galacturonic acid molecules. PLOS One, 9(9):e107896.
2. Cybulska, J.,  Zdunek, A., Kozioł, A. (2015) Structural changes of cell wall pectin in the carrot during postharvest ripening. Food Hydrocolloids. 43, 41-50.
3. Cybulska J., Vanstreels E., Ho Q.T., Courtin C.M., Van Craeyveld V., Nicolaï B., Zdunek A., Konstankiewicz K., (2010) Mechanical characteristics of artificial cell walls. Journal of Food Engineering 96, 287–294.
4. Płaziński W. (2012) Conformational properties of acidic oligo- and disaccharides and their ability to bind calcium: a molecular modeling study. Carbohydrate Research 357, 111–117.
5. Noto R, Martorana V, Bulone D, San Biagio PL (2005) Role of Charges and Solvent on the Conformational Properties of Poly(galacturonic acid) Chains: A Molecular Dynamics Study. Biomacromolecules 6: 2555-2562
6. Braccini I, Rodríguez-Carvajal MA, Pérez S (2005) Chain−Chain Interactions for Methyl Polygalacturonate:  Models for High Methyl-Esterified Pectin Junction Zones. Biomacromolecules 6(3): 1322–1328