دانشمندان آب «بسیار پرانرژی» مخفی در چشم‌عام را کشف کردند
آب وقتی در فضاهای میکروسکوپی به دام می‌افتد و به‌جای جریان آزاد، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. پژوهشگران ثابت کرده‌اند که این آب محصور «بسیار پرانرژی» می‌شود و بر چگونگی اتصال مولکول‌ها تأثیر می‌گذارد.
آب تقریباً در همه جای زمین یافت می‌شود. این ماده بیش از نیمی از سطح سیاره ما را پوشش می‌دهد، در بدن‌های ما در حال گردش است و حتی در کوچک‌ترین فضاهای مولکولی پنهان می‌شود. اما وقتی آب درگیر می‌شود و نمی‌تواند آزادانه حرکت کند، چه اتفاقی می‌افتد؟
دانشمندان از مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT) و دانشگاه کنستراکتور در برمن نشان دادند که برای اولین بار آب محصور می‌تواند به‌صورت فعال محیط خود را تحت تأثیر قرار داده و پیوندهای بین مولکول‌ها را تقویت کند. این کشف می‌تواند الهام‌بخش روش‌های جدیدی در توسعه داروها و ساخت مواد پیشرفته باشد. نتایج در نسخه بین‌المللی مجله «Angewandte Chemie» منتشر شد.
بخشی از آب سیاره در حفره‌های میکروسکوپی، مانند محل‌های اتصال پروتئین‌ها یا درون گیرنده‌های مولکولی مصنوعی، وجود دارد. تا به امروز، دانشمندان درباره این‌که آیا این آب محبوس صرفاً در کنار مولکول‌های نزدیک حضور دارد یا نقش فعال‌تری در تعاملاتشان ایفا می‌کند، بحث کرده‌اند.
«معمولاً مولکول‌های آب بیشترین تعامل را با یکدیگر دارند. اما داده‌های به‌دست‌آمده از آزمایش نشان می‌دهند که آب در چنین حفره‌های باریک رفتار غیرمعمولی می‌کند»، دکتر فرانک بیدرمَن، از مؤسسه نانو فناوری KIT توضیح می‌دهد. «ما اکنون می‌توانستیم پایه نظری این مشاهدات را فراهم کنیم و ثابت کنیم که آب در حفره‌های مولکولی به‌صورت انرژی‌زا فعال می‌شود.»
پژوهشگران این وضعیت را «بسیار پرانرژی» توصیف می‌کنند (نه به این دلیل که آب می‌درخشد یا می‌جوشد، بلکه به این دلیل که انرژی بیشتری نسبت به آب معمولی دارد). در این حالت، آب محصور کمی شبیه افرادی است که در یک آسانسور شلوغ فشرده شده‌اند؛ به محض باز شدن در، سعی می‌کنند به سرعت خارج شوند. به همین ترتیب، آب «بسیار پرانرژی» هنگام ورود مولکول دیگری به حفره، از حفره فرار می‌کند و مولکول جدید را به فضایی که خود آب ترک کرده است می‌کشاند. این آزادسازی انرژی به تقویت اتصال بین مولکول واردشونده و خود حفره کمک می‌کند.
یافته‌ها امکان پیش‌بینی قوت بایندینگ را فراهم می‌کند
پژوهشگران از کوکوربیت[8]وریل به‌عنوان مولکول «میزبان» استفاده کردند. این ترکیب قادر است مولکول‌های دیگر را که «مهمان» نامیده می‌شوند، جذب کند و به‌دلیل درجه بالای تقارن‌اش، تجزیه و تحلیل آن به‌مراتب ساده‌تر از سیستم‌های پیچیده‌تری نظیر پروتئین‌ها است.
«با توجه به نوع مولکول مهمان، مدل‌های کامپیوتری به ما امکان محاسبه میزان بیشتری از قوت بایندینگ که آب «بسیار پرانرژی» تأمین می‌کند، داد»، پروفسور ورنر نو، از دانشگاه کنستراکتور برمن توضیح می‌دهند. «ما دریافتیم که هر چه آب از نظر انرژی بیشتر فعال باشد، تمایل به تقویت اتصال بین مولکول مهمان و میزبان هنگام جابجایی آن بیشتر می‌شود.»
قابل استفاده در داروها یا مواد نوین
یافته‌های بیدرمَن و نو می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر پزشکی و علوم مواد داشته باشند. در طراحی دارو، شناسایی آب «بسیار پرانرژی» در پروتئین‌های هدف، امکان طراحی سیستماتیک عوامل فعال را فراهم می‌کند به‌طوری که این آب را جابجا کنند، از نیروی بایندینگ آن بهره‌برداری کنند و بدین ترتیب در پروتئین پیوند عمیق‌تری برقرار کنند؛ که این امر کارایی دارو را بهبود می‌بخشد. در علم مواد، تولید حفره‌هایی که این آب را به‌طرف یا جدا می‌کند می‌تواند عملکرد حسگری یا ذخیره‌سازی مواد را ارتقا دهد.
برای این مطالعه، پژوهشگران کالریمتری با دقت بالا — روشی برای اندازه‌گیری حرارت آزاد یا جذب‌شده در فرآیندهای مولکولی — را با مدل‌های رایانه‌ای ساخته‌شده توسط دکتر جفری ستیادی و پروفسور مایکل کِی. گیلسون از دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو ترکیب کردند.
منبع: «Thermodynamics of Water Displacement from Binding Sites and its Contributions to Supramolecular and Biomolecular Affinity» نوشته جفری ستیادی، فرانک بیدرمَن، ورنر م. نو و مایکل کِی. گیلسون، 4 ژوئن 2025، Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202505713