Фундаментальное открытие в химии! Ученые впервые доказали существование невероятной силы, скрытой в самой обычной воде. Оказалось, что вода, заключенная в молекулярные полости, становится мощным «клеем», способным укреплять химические связи между молекулами.
Запертая вода: почему она ведет себя иначе?
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT, Германия) и Университета Конструктор (Constructor University) в Бремене раскрыли удивительный феномен. Когда молекулы воды оказываются запертыми в микроскопических полостях — например, в белковых структурах или синтетических рецепторах, — они переходят в особое «высокоэнергетическое» состояние.
«Обычно молекулы воды сильнее всего взаимодействуют друг с другом. Однако экспериментальные данные показывают, что в узких полостях вода ведет себя необычно», — объясняет доктор Франк Бидерманн из Института нанотехнологий KIT.
Принцип переполненного лифта: как работает новый механизм
Ученые предлагают простую аналогию: представьте людей в переполненном лифте. Как только двери открываются, все стремятся выйти наружу. Точно так же ведет себя и «запертая» вода в молекулярных полостях.
Когда в полость проникает другая молекула, высокоэнергетическая вода с силой выталкивается наружу, буквально «толкая» новичка на освободившееся место. Этот процесс создает дополнительную силу, укрепляющую связь между молекулой-хозяином и молекулой-гостем.
«Мы смогли предоставить теоретическую основу этих наблюдений и доказать, что вода в молекулярных полостях энергетически активирована», — заявляет Бидерманн.
Эксперимент, который подтвердил гипотезу
Для исследований ученые использовали молекулу cucurbit[8]uril в качестве «хозяина», способного принимать другие молекулы. Благодаря высокой симметрии этой структуры, анализ оказался значительно проще, чем в сложных системах типа белков.
«В зависимости от молекулы-гостя компьютерные модели позволили нам рассчитать, насколько большую связывающую силу дает высокоэнергетическая вода», — поясняет профессор Вернер Нау из Университета Конструктор.
Исследователи комбинировали высокоточную калориметрию — метод измерения тепла, выделяемого или поглощаемого во время молекулярных процессов — с компьютерным моделированием, выполненным в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Фармацевтика и материалы будущего: где пригодится открытие
Это открытие может революционизировать медицину и материаловедение:
· В дизайне лекарств появится возможность создавать активные вещества, которые будут вытеснять высокоэнергетическую воду из целевых белков, усиливая эффективность препаратов
· В материаловедении создание полостей, выталкивающих такую воду, улучшит чувствительность и емкость материалов для хранения энергии
«Полученные данные ясно показывают, что концепция высокоэнергетических молекул воды имеет физическое обоснование — и что именно эти молекулы воды являются центральной движущей силой при образовании молекулярных связей», — подчеркивает Бидерманн.
Ученые предполагают, что даже природные антитела, включая те, что борются с SARS-CoV-2, могут частично обязаны своей эффективностью именно тому, как они транспортируют молекулы воды в свои связывающие полости и из них.
Это открытие меняет наше понимание фундаментальных химических процессов и открывает путь к созданию лекарств нового поколения и умных материалов!