未加工綿繊維のスピンプローブ多周波EPR研究

Spin Probe Multi-Frequency EPR Study of Unprocessed Cotton Fibers.

• Antonin Marek
• Maxim A Voinov
• Alex I Smirnov

抄録

古くから知られている綿は、人類の文明に欠かせない素材の一つであり続けています。綿繊維はほぼ純粋なセルロースであり、異なる物理化学的特性を持つ結晶性ナノドメインと非晶性ナノドメインの両方を含んでいます。結晶相内の個々のセルロース鎖間の相互作用を理解することは、機械的特性の観点から重要であるが、非晶質相の研究は、溶媒拡散、染色、薬物放出、毒素吸収などの本質的な輸送パラメータや、酵素分解のより複雑なプロセスの特性評価につながる。ここでは、米国ノースカロライナ州で収穫された2種類の未加工綿繊維、G. hirsutumとG. barbadenseの局所極性と不均一な粘度を研究するためにスピンプローブ電子常磁性共鳴法を使用して説明します。これらの繊維に極性の異なる2つの低分子ニトロキシドプローブ（Tempoとより親水性の高い誘導体Tempol）を極性溶媒と非極性溶媒を用いて担持させた。ニトロキシドを担持した綿繊維の電子常磁性共鳴スペクトルは、半経験的に、およびFreedと同僚によって開発された電子常磁性共鳴スペクトルの厳密な確率論を使用して最小二乗シミュレーションの両方で解析されました。Xバンド(9.5GHz)とWバンド(94.3GHz)のような複数の共鳴周波数における一次吸収型と吸収型の多成分電子常磁性共鳴スペクトルの自動シミュレーションを行うために、ソフトウェアパッケージと最小二乗フィッティングプロトコルを開発した。この結果は、Batchelorらが行った市販の漂白綿シートの電子常磁性共鳴スピンプローブ研究と比較している。この研究の結果の一つは、極性や微小粘度などの物理化学的性質が異なるセルロースナノドメインが溶媒や温度に影響されて共存していることを示したことである。スピンラベリング研究はまた、綿繊維に沿ったドメイン分布の巨視的な不均一性と、キューティキュラー層がスピンプローブの浸透のための障壁として重要な役割を果たしていることを明らかにした。最後になりましたが、異なる共振周波数で得られた電子常磁性共鳴スペクトルの同時多成分最小二乗シミュレーション法と表示形態（例えば、吸収表示と第一原理表示）、およびスペクトルパラメータの共有化戦略は、ここでの綿繊維の研究に加えて、他の不均一な生物学的システムにも適用できる可能性があります。

Known since the ancient times, cotton continues to be one of the essential materials for the human civilization. Cotton fibers are almost pure cellulose and contain both crystalline and amorphous nanodomains with different physicochemical properties. While understanding of interactions between the individual cellulose chains within the crystalline phase is important from a perspective of mechanical properties, studies of the amorphous phase lead to characterization of the essential transport parameters, such as solvent diffusion, dyeing, drug release, and toxin absorption, as well as more complex processes of enzymatic degradation. Here, we describe the use of spin probe electron paramagnetic resonance methods to study local polarity and heterogeneous viscosity of two types of unprocessed cotton fibers, G. hirsutum and G. barbadense, harvested in the State of North Carolina, USA. These fibers were loaded with two small molecule nitroxide probes that differ in polarity-Tempo and its more hydrophilic derivative Tempol-using a series of polar and non-polar solvents. The electron paramagnetic resonance spectra of the nitroxide-loaded cotton fibers were analyzed both semi-empirically and by least-squares simulations using a rigorous stochastic theory of electron paramagnetic resonance spectra developed by Freed and coworkers. A software package and least-squares fitting protocols were developed to carry out automatic simulations of multi-component electron paramagnetic resonance spectra in both first-derivative and the absorption forms at multiple resonance frequencies such as X-band (9.5 GHz) and W-band (94.3 GHz). The results are compared with the preceding electron paramagnetic resonance spin probe studies of a commercial bleached cotton sheeting carried out by Batchelor and coworkers. One of the results of this study is a demonstration of a co-existence of cellulose nanodomains with different physicochemical properties such as polarity and microviscosity that are affected by solvents and temperature. Spin labeling studies also revealed a macroscopic heterogeneity in the domain distribution along the cotton fibers and a critical role the cuticular layer is playing as a barrier for spin probe penetration. Finally but not lastly, the simultaneous multi-component least-squares simulation method of electron paramagnetic resonance spectra acquired at different resonant frequencies and the display forms (e.g., absorption and first-derivative displays) and the strategy of spectral parameter sharing could be potentially applicable to other heterogeneous biological systems in addition to the cotton fibers studies here.