دانشمندان آب «بسیار پرانرژی» مخفی در نگاه اول را کشف کردند
آب هنگامی که در فضاهای میکروسکوپی به دام می‌افتد، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد؛ پژوهشگران نشان دادند که این آب محدود‌شده «بسیار پرانرژی» می‌شود و بر نحوه پیوستگی مولکول‌ها تأثیر می‌گذارد.
آب تقریباً در هرجای زمین حضور دارد. این ماده بیشترین سطح سیاره ما را می‌پوشاند، در بدن‌مان به‌صورت حلقه‌ای در حال گردش است و حتی در کوچک‌ترین فضاهای مولکولی نیز مخفی می‌شود. اما وقتی آب در یک فضا به دام می‌افتد و نمی‌تواند به‌صورت آزاد جریان یابد، چه می‌شود؟
دانشمندانی از مؤسسه فناوری کارلس‌رُه (KIT) و دانشگاه Constructor در برمن برای اولین بار نشان دادند که آب محدود‌شده می‌تواند به‌طور فعال بر محیط اطراف خود تأثیر بگذارد و پیوندهای بین مولکول‌ها را تقویت کند. این کشف می‌تواند الهام‌بخش رویکردهای نوین در توسعه داروها و ساخت مواد پیشرفته باشد. نتایج این پژوهش در نسخه بین‌المللی مجله «Angewandte Chemie» منتشر شد.
بعضی از آب‌های سیاره در کیف‌های میکروسکوپی، نظیر سایت‌های پیوندی پروتئین‌ها یا داخل گیرنده‌های مولکولی مصنوعی، موجود می‌باشند. تا به‌حال، دانشمندان در مورد اینکه آیا این آب محصور صرفاً در کنار مولکول‌های نزدیک حضور دارد یا نقش فعالی در تعامل میان آن‌ها ایفا می‌کند، به‌جنجال می‌افتند.
«معمولاً مولکول‌های آب با یکدیگر بیشترین تعامل را دارند. با این حال، داده‌های به‌دست آمده از آزمایش نشان می‌دهند که آب در چنین حفره‌های باریک رفتار غیرعادی‌ای دارد»، دکتر فرانک بیدرمان از مؤسسه نانو‌فناوری KIT توضیح می‌دهد. «اکنون می‌توانیم پایه نظری این مشاهدات را ارائه کنیم و ثابت کنیم که آب در حفره‌های مولکولی به‌صورت انرژی‌دار فعال می‌شود.»
پژوهشگران این وضعیت را «بسیار پرانرژی» توصیف می‌کنند (نه به این دلیل که آب می‌درخشد یا می‌فشارند، بلکه به این دلیل که انرژی بیشتری نسبت به آب معمولی دارد). در این حالت، آب محصور‌شده کمی شبیه افرادی است که در یک آسانسور شلوغ فشرده شده‌اند: به محض باز شدن در، همه سعی می‌کنند بیرون بروند. به‌طور مشابه، آب «بسیار پرانرژی» هنگامی که مولکول دیگری وارد می‌شود، از حفره خود می‌گریزد و آن مولکول را به فضایی که آب آن را ترک کرده است، می‌رساند. این آزادسازی انرژی به تقویت ارتباط بین مولکول ورودی و خود حفره کمک می‌کند.
یافته‌ها امکان پیش‌بینی نیروی پیوندی را می‌دهند
پژوهشگران از cucurbit[8]uril به‌عنوان مولکول «میزبان» استفاده کردند. این ماده قادر است مولکول‌های دیگری به نام «میهمان» را جذب کند و به‌دلیل تقارن بالای خود، به‌مراتب ساده‌تر از سیستم‌های پیچیده‌ای چون پروتئین‌ها قابل تجزیه و تحلیل است.
«بسته به مولکول میهمان، مدل‌های کامپیوتری این امکان را به ما دادند که محاسبه کنیم آب «بسیار پرانرژی» چقدر نیروی پیوندی بیشتری ایجاد می‌کند»، پروفسور ورنر ناو از دانشگاه Constructor در برمن توضیح می‌دهد. «ما دریافتیم که هر چه آب بیشتر انرژی‌دار فعال شود، وقتی جای‌گزین می‌شود، پیوند بین مولکول میهمان و میزبان بهتر تقویت می‌شود.»
بیدرمان اضافه می‌کند: «داده‌های به‌دست‌آمده به‌وضوح نشان می‌دهند که مفهوم آب «بسیار پرانرژی» پایه فیزیکی دارد – و این مولکول‌های آب نقش مرکزی در شکل‌گیری پیوندهای مولکولی ایفا می‌کنند. حتی آنتی‌بادی‌های طبیعی، برای مثال علیه SARS‑CoV‑2، ممکن است بخشی از کارایی خود را مدیون نحوه انتقال مولکول‌های آب به داخل و خارج از حفره‌های پیوندی خود باشند.»
قابل استفاده برای داروها یا مواد جدید
یافته‌های بیدرمان و ناو می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر حوزه‌های پزشکی و علوم مواد داشته باشند. در طراحی دارو، شناسایی آب «بسیار پرانرژی» در پروتئین‌های هدف این امکان را می‌دهد که عوامل فعال به‌گونه‌ای طراحی شوند که این آب را جابجا کنند، نیروی پیوندی آن را بهره‌برداری کرده و بدین‌سوی‌ه به‌صورت عمیق‌تری در پروتئین نگه‌داری شوند – که کارایی دارو را ارتقا می‌دهد. در علم مواد، تولید حفره‌هایی که این آب را دفع یا جابجا می‌کنند می‌تواند عملکرد حسگری یا ذخیره‌سازی مواد را بهبود بخشد.
برای این مطالعه، پژوهشگران کالری‌متری با دقت بالا – روشی برای اندازه‌گیری حرارت آزاد یا جذب‌شده در فرآیندهای مولکولی – را با مدل‌های کامپیوتری ساخته شده توسط دکتر جفرای سِتیادی و پروفسور مایکل ک. گیلسون در دانشگاه کالیفرنیا، سن‌دیگو ترکیب کردند.
مرجع: «Thermodynamics of Water Displacement from Binding Sites and its Contributions to Supramolecular and Biomolecular Affinity» توسط Jeffry Setiadi، Frank Biedermann، Werner M. Nau و Michael K. Gilson، ۴ ژوئن ۲۰۲۵، Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202505713
هرگز یک پیشرفت را از دست ندهید: در خبرنامه SciTechDaily ثبت‌نام کنید.
ما را در Google، Discover و News دنبال کنید.