Вода, повсеместно присутствующая на нашей планете – от огромных океанов до жидкостей человеческого тела и микроскопических молекулярных карманов, – обычно рассматривается как пассивный растворитель. Однако когда молекулы воды оказываются запертыми в крошечных пространствах, их поведение кардинально меняется. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Конструктор в Бремене впервые продемонстрировали, что такая ограниченная вода может активно влиять на свое окружение, способствуя образованию более прочных молекулярных связей. Эти выводы открывают новые перспективы для разработки лекарств и инновационных материалов. Подробности исследования опубликованы в международном издании журнала Angewandte Chemie.
Значительная часть воды на Земле находится в экстремально малых объемах, например, в молекулярных полостях белковых центров связывания или синтетических рецепторах. Долгое время среди ученых велись дискуссии о том, играет ли вода в этих ограниченных областях просто пассивную роль или же активно влияет на взаимодействие молекул. «Обычно молекулы воды наиболее сильно взаимодействуют друг с другом. Тем не менее, экспериментальные данные показывают, что в таких узких полостях вода ведет себя необычно», – объясняет доктор Франк Бидерманн из Института нанотехнологий KIT. «Теперь мы смогли предоставить теоретическую основу этих наблюдений и доказать, что вода в молекулярных полостях энергетически активирована».
Это необычное состояние ученые описывают как «высокоэнергетическое». Это не означает, что запертая вода светится или пенится. Вместо этого она обладает большей внутренней энергией, чем обычная вода. Простая аналогия – люди в переполненном лифте: как только двери открываются, они спешат выйти. Подобным образом, высокоэнергетическая вода вырывается из полости, когда появляется другая молекула, освобождая для нее место. Это высвобождение воды способствует укреплению связи между вновь прибывшей молекулой и молекулярной полостью.
Для изучения этого эффекта исследователи использовали молекулу кукурбитурила[8] в качестве модельной «молекулы-хозяина». Эта структура способна удерживать «молекулы-гости» и благодаря своей высокой симметрии значительно проще для изучения, чем сложный белок. «В зависимости от молекулы-гостя, компьютерные модели позволили нам рассчитать, насколько большую дополнительную силу связывания обеспечивает высокоэнергетическая вода», – комментирует профессор Вернер Нау из Университета Конструктор в Бремене. «Мы обнаружили, что чем более энергетически активирована вода, тем сильнее она способствует связыванию между молекулой-гостем и хозяином при ее вытеснении».
Доктор Бидерманн добавляет: «Полученные данные ясно показывают, что концепция высокоэнергетических молекул воды физически обоснована – и что именно эти молекулы воды являются центральной движущей силой в процессе образования молекулярных связей. Даже природные антитела, например, против SARS-CoV-2, могут частично обязаны своей эффективностью тому, как они транспортируют молекулы воды в свои связывающие полости и из них».
Эти открытия могут иметь важные последствия для разработки лекарств и создания передовых материалов. В фармацевтике выявление высокоэнергетической воды внутри целевых белков может помочь химикам создавать молекулы, которые намеренно вытесняют эту воду, используя ее энергетический вклад для более прочного закрепления в белке – что в конечном итоге повысит эффективность лекарств. В материаловедении создание полостей, которые вытесняют такую воду, может привести к улучшенным сенсорам или материалам с расширенными возможностями хранения.
Для получения своих выводов исследовательская группа применила высокоточную калориметрию – метод, используемый для измерения тепловых изменений во время молекулярных взаимодействий – в сочетании с компьютерными моделями, разработанными доктором Джеффри Сетиади и профессором Майклом К. Гилсоном из Калифорнийского университета в Сан-Диего.
