Kitin

Kitin hay chitin (C₈H₁₃O₅N)_n là một polymer dài gồm N-Acetylglucosamine, một dẫn xuất của glucose, và có mặt ở nhiều nơi trong tự nhiên. Nó là thành phần chủ yếu trong thành tế bào của nấm, khung xương của động vật chân đốt như giáp xác (cua, tôm hùm, tôm) và côn trùng, cũng như trong cấu trúc của động vật thân mềm và mỏ của chúng, như mực và bạch tuộc, và trên vảy cùng các mô mềm khác của cá và lissamphibia. Cấu trúc của kitin tương tự như cellulose polisaccarit. Về chức năng, kitin có thể so sánh với protein keratin.

Kitin cũng đã được chứng minh là có ích cho nhiều ứng dụng trong y tế và công nghiệp. Trong vảy cánh bướm, kitin thường được sắp xếp thành các lớp nano-lớp hoặc nanogậy bằng tinh thể nano kitin, tạo ra những màu sắc óng ánh khác nhau nhờ vào hiện tượng giao thoa màng mỏng; cấu trúc tương tự cũng được tìm thấy trong chất sừng của bộ lông chim có màu sắc lấp lánh.

Nguồn gốc

Từ tiếng Anh 'chitin' xuất phát từ tiếng Pháp chitine, có nguồn gốc từ năm 1821 từ tiếng Hy Lạp χιτών (khitōn), có nghĩa là lớp vỏ bao bọc.

Các đặc tính hóa học, vật lý và chức năng sinh học

Cấu trúc của kitin được xác định bởi Albert Hofmann vào năm 1929. Hofmann đã thủy phân kitin bằng cách sử dụng enzyme chitinase thô mà ông thu được từ ốc sên Helix pomatia.

Kitin là một polysaccharide biến đổi có chứa nitơ; nó được tổng hợp từ các đơn vị N-acetyl-D-glucosamine (cụ thể là 2-(acetylamino)-2-deoxy-D-glucose). Các đơn vị này kết nối với nhau qua liên kết cộng hóa trị β-(1 → 4) (tương tự như liên kết giữa các đơn vị glucose trong cellulose). Do đó, kitin có thể coi là cellulose mà nhóm hydroxyl trên mỗi đơn vị đã được thay thế bằng nhóm acetyl amin, cho phép tăng cường liên kết hydro giữa các polyme lân cận, từ đó làm tăng độ bền của ma trận chitin-polyme.

Ở dạng nguyên chất, kitin trong suốt, dẻo, đàn hồi và có độ dai khá cao. Tuy nhiên, ở hầu hết các động vật chân đốt, kitin thường bị biến đổi và thường xuất hiện như một thành phần trong vật liệu composite, chẳng hạn như trong sclerotin, một nền protein rám nắng, là thành phần chủ yếu của bộ xương ngoài côn trùng. Khi kết hợp với canxi cacbonat, như trong vỏ của động vật giáp xác và động vật thân mềm, kitin tạo ra một hỗn hợp mạnh mẽ hơn. Vật liệu composite này cứng và bền hơn nhiều so với kitin nguyên chất, đồng thời cũng chắc chắn hơn và ít giòn hơn canxi cacbonat nguyên chất. Sự khác biệt giữa dạng tinh khiết và dạng hỗn hợp có thể được thấy khi so sánh thân mềm dẻo của sâu bướm (chủ yếu là kitin) với lớp elytron cứng nhẹ của bọ cánh cứng (chứa tỷ lệ lớn sclerotin).

Trong vảy cánh bướm, kitin được tổ chức thành các dãy xoắn ốc cấu tạo từ các tinh thể quang tử kitin, tạo ra các màu sắc óng ánh khác nhau để phục vụ cho việc truyền tín hiệu và giao tiếp hình thái trong quá trình giao phối và tìm kiếm thức ăn. Cấu trúc xoắn ốc phức tạp của kitin trong cánh bướm tạo ra một mô hình quang học có tiềm năng cho các đổi mới trong kỹ thuật sinh học. Bọ hung thuộc chi Cyphochilus cũng sử dụng kitin để tạo thành các vảy cực mỏng (dày từ 5 đến 15 micromet) phản xạ ánh sáng trắng một cách khuếch tán. Những vảy này là mạng lưới các sợi kitin được sắp xếp ngẫu nhiên với đường kính trên quy mô hàng trăm nanomet, dùng để phân tán ánh sáng. Sự tán xạ ánh sáng này được cho là đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra độ trắng bất thường của vảy. Thêm vào đó, một số loài ong bắp cày xã hội, như Protopolybia chartergoides, tiết ra chất liệu từ miệng chủ yếu là kitin để củng cố lớp bao bên ngoài của tổ, bao gồm giấy.

Chitosan được sản xuất thương mại thông qua quá trình khử kitin; chitosan có thể hòa tan trong nước, trong khi kitin thì không.

Sợi nano đã được chế tạo từ kitin và chitosan.

Tác động đến sức khỏe

Các sinh vật sản xuất kitin như động vật nguyên sinh, nấm, động vật chân đốt và tuyến trùng thường là nguồn gây bệnh cho các loài khác.

Con người và các loài động vật có vú khác

Con người và các loài động vật có vú khác có chitinase cùng với các protein tương tự có khả năng phân hủy kitin; họ cũng có một số thụ thể miễn dịch nhận diện kitin và các sản phẩm phân hủy của nó, từ đó kích hoạt phản ứng miễn dịch.

Kitin chủ yếu được phát hiện ở phổi hoặc hệ tiêu hóa, nơi nó có thể kích thích hệ thống miễn dịch bẩm sinh thông qua bạch cầu ái toan hoặc đại thực bào, cũng như kích hoạt phản ứng miễn dịch thích ứng thông qua các tế bào T hỗ trợ. Các tế bào sừng trên da cũng có thể phản ứng với kitin hoặc các mảnh kitin. Nghiên cứu trong ống nghiệm cho thấy kitin được nhận diện bởi các thụ thể như FIBCD1, KLRB1, REG3G, thụ thể Toll-like 2, CLEC7A và các thụ thể mannose.

Đáp ứng miễn dịch đôi khi có thể loại bỏ kitin và các tổ chức liên quan, nhưng cũng có khi phản ứng miễn dịch lại trở thành bệnh lý và dẫn đến dị ứng; dị ứng với mạt bụi nhà được cho là do phản ứng với kitin.

Thực vật

Thực vật cũng có các thụ thể có khả năng phản ứng với kitin, đặc biệt là thụ thể kinase 1 chitin elicitor và protein liên kết chitin elicitor. Thụ thể kitin đầu tiên được nhân bản vào năm 2006. Khi các thụ thể này được kích hoạt bởi kitin, các gen liên quan đến khả năng phòng vệ của thực vật sẽ được biểu hiện, và kích thích tố jasmonate được kích hoạt, dẫn đến việc hệ thống phòng thủ được kích thích. Đến năm 2016, nấm commensal đã phát triển các cách tương tác với phản ứng miễn dịch của vật chủ nhưng vẫn chưa được hiểu rõ.

Một số tác nhân gây bệnh sản xuất ra các protein liên kết với kitin, che giấu kitin mà chúng tiết ra từ các thụ thể này. Zymoseptoria tritici là ví dụ điển hình về nấm gây bệnh có những protein ngăn chặn như vậy; đây là loài gây hại chính trên cây lúa mì.

Hồ sơ hóa thạch

Kitin có thể đã xuất hiện trong bộ xương ngoài của động vật chân đốt từ kỷ Cambri, chẳng hạn như cá ba gai. Mẫu kitin cổ xưa nhất được bảo tồn có niên đại từ Oligocen, bao gồm một con bọ cạp được bao bọc trong hổ phách.

Ứng dụng

Nông nghiệp

Kitin là một tác nhân kích thích hiệu quả các cơ chế phòng vệ ở thực vật nhằm kiểm soát bệnh tật. Nó có tiềm năng được áp dụng như phân bón hoặc chất điều hòa đất, giúp cải thiện độ màu mỡ và khả năng phục hồi của cây trồng, từ đó nâng cao năng suất.

Công nghiệp

Kitin được sử dụng rộng rãi trong nhiều quy trình công nghiệp. Một số ứng dụng tiềm năng của kitin, đã được biến đổi hóa học trong chế biến thực phẩm, bao gồm việc tạo ra màng có thể ăn được và sử dụng như chất phụ gia để làm dày và ổn định thực phẩm cùng nhũ tương. Quy trình định hình và tăng cường độ bền của giấy cũng sử dụng kitin và chitosan.

Nghiên cứu

Nghiên cứu về cách kitin tương tác với hệ thống miễn dịch của thực vật và động vật đang diễn ra rất sôi nổi, bao gồm việc xác định các thụ thể quan trọng mà kitin tương tác, xem liệu kích thước của các hạt kitin có ảnh hưởng đến loại phản ứng miễn dịch được kích hoạt hay không, và các cơ chế của hệ thống miễn dịch đáp ứng. Kitin và chitosan đã được nghiên cứu như một chất bổ trợ cho vắc xin do khả năng kích thích phản ứng miễn dịch của chúng.

Chitin và chitosan đang được phát triển như những vật liệu nền trong nghiên cứu về sự phát triển của mô và quá trình lành vết thương, đồng thời cũng nhằm tạo ra băng cá nhân tốt hơn, chỉ khâu phẫu thuật và vật liệu cấy ghép. Mặc dù chỉ khâu làm từ kitin đã được khảo sát trong nhiều năm, nhưng đến năm 2015, vẫn chưa có sản phẩm nào có mặt trên thị trường; điều này chủ yếu do độ đàn hồi kém và khó khăn trong việc sản xuất chỉ khâu.

Năm 2014, một phương pháp mới đã được giới thiệu, sử dụng chitosan như một loại nhựa phân hủy sinh học và tái tạo. Sợi nano chitin được chiết xuất từ các nguồn thải của giáp xác và nấm để phát triển sản phẩm trong lĩnh vực kỹ thuật mô, y học và công nghiệp.

Năm 2020, kitin được đề xuất cho các ứng dụng xây dựng cấu trúc, công cụ và vật thể rắn khác từ các vật liệu tổng hợp kitin kết hợp với regolith trên sao Hỏa. Trong trường hợp này, các thành phần tạo màng sinh học trong kitin sẽ đóng vai trò như chất kết dính cho cốt liệu regolith, tạo thành vật liệu composite giống như bê tông. Các tác giả cho rằng nguyên liệu thải từ ngành thực phẩm (như vảy cá, bộ xương ngoài của động vật giáp xác và côn trùng) có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất.