Woda w zamknięciu zmienia swoje właściwości
Gdy cząsteczki wody zostają uwięzione w wyjątkowo małych przestrzeniach, takich jak te występujące w białkach, ich zachowanie diametralnie się zmienia. Badacze z Karlsruhe Institute of Technology i Constructor University w Bremie odkryli, że woda w takich warunkach staje się wysoce energetyczna i aktywnie oddziałuje z otoczeniem. Ich praca rzuca nowe światło na te zjawiska. Frank Biedermann z KIT wyjaśnia to w następujący sposób:
Zazwyczaj cząsteczki wody najsilniej oddziałują ze sobą. Jednak dane uzyskane z eksperymentu pokazują, że woda zachowuje się niezwykle w tak wąskich wnękach. Udało nam się teraz dostarczyć teoretyczne podstawy tych obserwacji i udowodnić, że woda w wnękach molekularnych jest aktywowana energetycznie.
Czytaj też: Gratek może zmienić motoryzację. Ten materiał jest lepszy niż zwykły grafen
Naukowcy wykorzystali zaawansowane symulacje komputerowe, badając model z cząsteczką znaną jako cucurbit[8]uril w formie gospodarza. To podejście pozwoliło im precyzyjnie prześledzić zachowanie wody w mikroskopijnych wnękach i zrozumieć konsekwencje tych zjawisk dla procesów wiązania molekularnego.
Mechanizm wypierania wody jako źródło energii
Koszt energetyczny usuwania wody z miejsc wiązania waha się od 0 do 37 kcal na mol, co znacząco wpływa na siłę tworzonych połączeń między cząsteczkami. Im więcej energii potrzeba do wypchnięcia wody z wnęki, tym trwalsze wiązanie powstaje, gdy jej miejsce zajmuje inna cząsteczka.
W zależności od cząsteczki-gościa, modele komputerowe umożliwiły nam obliczenie, o ile więcej siły wiązania wytwarza wysoce energetyczna woda. Odkryliśmy, że im bardziej energetycznie aktywowana jest woda, tym lepiej sprzyja wiązaniu między cząsteczką-gościem a gospodarzem, gdy jest ona wypierana – dodaje Werner Nau z Constructor University
W modelu zaobserwowano szczególnie interesujący przypadek: wiązanie osiągnęło wartość minus 20,7 kcal na mol pomimo braku bezpośrednich oddziaływań chemicznych. Oznacza to, że zmiany w wodzie były jedynym czynnikiem odpowiedzialnym za tworzenie tego połączenia. To rozwiązuje długoletni paradoks stabilnej, lecz termodynamicznie niekorzystnej wody wnękowej. Co ciekawe, średnia liczba cząsteczek wody we wnękach pozostawała stała (około 10,5) niezależnie od zastosowanego modelu, mimo że koszty energetyczne ich wypierania różniły się znacząco.
Możliwości zastosowań w medycynie
Odkrycie to może znaleźć praktyczne zastosowanie w farmakologii. Identyfikacja wysoce energetycznej wody w białkach docelowych umożliwia projektowanie substancji aktywnych, które wypierają tę wodę i wykorzystują jej energię do lepszego zakotwiczenia się w białku. W teorii mogłoby to przełożyć się na zwiększenie skuteczności leków, choć na razie pozostaje to w sferze badań podstawowych. Badanie dostarcza teoretycznego uzasadnienia dla wcześniejszych obserwacji eksperymentalnych, które od lat intrygowały naukowców. Dzięki zaawansowanym symulacjom komputerowym i precyzyjnym pomiarom możemy lepiej zrozumieć to zjawisko.
Czytaj też: Woda i oliwa wreszcie się połączyły. Naukowcy stworzyli materiał łączący elektronikę z żywymi tkankami
Jednocześnie eksperci zwracają uwagę na pewne ograniczenia. Badania nad właściwościami wody w mikroskopijnych przestrzeniach wciąż znajdują się na wczesnym etapie. Możliwość projektowania leków z wykorzystaniem tych mechanizmów brzmi zachęcająco, lecz na konkretne terapie przyjdzie nam jeszcze poczekać. Niemniej jednak, zrozumienie roli wody w procesach molekularnych otwiera nowe ścieżki badawcze. Być może w przyszłości doprowadzi to do opracowania substancji leczniczych, które będą celowo wykorzystywały energię uwalnianą podczas wypierania wody z miejsc wiązania.