Tim sa Karlsruher Institute of Technology otkrio je da voda zarobljena između molekula, iako nepokretna, može imati povišenu termodinamičku energiju koja se oslobađa kada je istisne drugi molekul. Oslobođena energija pojačava vezivanje novog molekula i utiče na međumolekulske interakcije domaćina. Nalazi, predstavljeni u časopisu Angewandte Chemie, ukazuju na mogućnosti primene u dizajnu lekova i inženjeringu materijala.
Otkrivena „visokoenergetska“ voda koja jača međumolekulske veze — potencijal za lekove i materijale
Voda zarobljena u uskim prostorima između molekula ponaša se drugačije od slobodno tekuće vode — ima povišenu unutrašnju energiju. Tim hemičara sa Karlsruher Institute of Technology (KIT), predvođen Frankom Biedermannom, koristio je računarske simulacije da istraži kako takva „zarobljena“ voda utiče na vezivanje molekula i otkrio neočekivanu dinamiku koja bi mogla imati praktične primene u dizajnu lekova i materijala.
Ispostavilo se da, iako je ta voda fizički nepokretna, ona može sadržati značajnu termodinamičku energiju. Kada drugi molekul uđe u prostor koji je voda zauzimala i istisne je, oslobođena energija pomaže novom molekulu da uspostavi jače veze sa mestom koje je zauzeo. Istovremeno, oslobođena energija može pojačati i međumolekulske veze originalnog domaćina sa njegovim susedima — efekat koji zavisi od hemijske prirode domaćina i od termodinamičkih svojstava same vode.
„Sadašnja računarska analiza pojednostavljenih sistema domaćin–gost jasno pokazuje da afiniteti vezivanja snažno zavise od termodinamičkih svojstava vode koja je istisnuta iz veznih mesta,“ navodi Frank Biedermann u radu objavljenom u časopisu Angewandte Chemie.
Da bi objasnili fenomen autori koriste jednostavnu analogiju: zamislite pretrpan metro u špicu. Putnici koji su unutra žure da izađu kad se vrata otvore i tako ostave mesto koje brzo zauzimaju novi putnici. Prvobitna grupa putnika u toj analogiji predstavlja zarobljenu vodu — njen nagli izlazak „otvara“ prostor i olakšava jače zauzimanje mesta od strane novog gosta. Kao i u metrou, jačina efekta zavisi od početnog stanja (koliko je energije voda imala) i od prirode molekula koji ulazi.
Praktične implikacije su značajne: ako se u veznim mestima velikih biomolekula — na primer u džepovima proteinskih mete — nalazi takva visokoeenergetska voda, moguće je projektovati lekove koji ciljano istiskuju tu vodu i koriste oslobođenu energiju za čvršće vezivanje. To može povećati efikasnost leka ili stabilnost supramolekularnih sistema i novih materijala.
Autori rada naglašavaju da su njihova ispitivanja izvedena na pojednostavljenim modelima i da su potrebne dodatne eksperimentalne studije kako bi se kvantifikovale i iskoristile posledice u složenijim biološkim i tehnološkim sistemima. Ipak, ideja da „zarobljena“ voda može delovati kao dodatni izvor vezivanja otvara nove puteve pri optimizaciji lekova i pri razvoju materijala s poboljšanim svojstvima.
Zaključak: Ova studija menja pogled na ulogu vode u međumolekulskim interakcijama i predlaže konkretne strategije — ciljano istiskivanje visokoeenergetske vode — koje mogu pomoći pri dizajnu snažnijih lekova i čvršćih materijala.
Studija: Frank Biedermann i saradnici, objavljeno u Angewandte Chemie. Istraživanje se zasniva na računarskim simulacijama host–guest sistema.
Pomozite nam da budemo bolji.
