Το νερό μπορεί να μοιάζει με την πιο συνηθισμένη ουσία στον πλανήτη, όμως σε κλίμακα μερικών ångström κρύβει μια απρόσμενη και ιδιαίτερα δυναμική συμπεριφορά. Σύμφωνα με νέα έρευνα του Karlsruhe Institute of Technology (KIT) και του Constructor University στη Βρέμη, μόρια νερού που βρίσκονται παγιδευμένα σε μικροσκοπικές μοριακές κοιλότητες διαθέτουν πολύ περισσότερη ενέργεια από το συνηθισμένο — μια κατάσταση που τα ωθεί να “εκτινάσσονται” προς τα έξω όταν εμφανιστεί ένας πιθανός μοριακός επισκέπτης. Αυτό το φαινόμενο, όπως δείχνουν τα πειράματα και οι θεωρητικές αναλύσεις, μπορεί να ενισχύσει σημαντικά τη δύναμη των μοριακών δεσμών. Και οι επιπτώσεις του αγγίζουν την ιατρική, τη φαρμακευτική και την επιστήμη υλικών.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Angewandte Chemie International Edition, εξετάζει ένα παράδοξο που απασχολούσε εδώ και χρόνια τους ερευνητές: τι ακριβώς κάνει το εγκλωβισμένο νερό μέσα σε πρωτεΐνες ή τεχνητούς υποδοχείς; Απλώς παρακολουθεί σιωπηλά τις χημικές διεργασίες γύρω του ή παίζει ενεργό ρόλο; Όπως εξηγεί ο Dr. Frank Biedermann από το Institute of Nanotechnology στο KIT, η πραγματικότητα αποδεικνύεται πολύ πιο ενδιαφέρουσα. Τα δεδομένα δείχνουν ότι το νερό σε στενές κοιλότητες αποθηκεύει ενέργεια με τρόπο που ξεφεύγει από τη συμβατική του συμπεριφορά. Και μόλις εμφανιστεί μια συμβατή χημική ένωση, το νερό “ξεχύνεται” έξω, διευκολύνοντας την είσοδο του νέου μορίου και ταυτόχρονα ενισχύοντας τη σύνδεση που ακολουθεί.
Η ομάδα περιγράφει αυτό το φαινόμενο ως κατάσταση “υψηλής ενέργειας”. Όχι, τα μόρια δεν φωσφορίζουν ούτε πάλλονται. Η εικόνα όμως θυμίζει ανθρώπους στριμωγμένους σε ασανσέρ: πιέζονται στους τοίχους, συσσωρεύουν ένταση και με το που ανοίξει η πόρτα, βγαίνουν όσο πιο γρήγορα γίνεται. Στο μοριακό επίπεδο, η έξοδος του νερού καθαρίζει τον χώρο και δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για να δέσει το νέο μόριο ακόμη πιο ισχυρά.
Για να απομονώσουν το φαινόμενο και να το μελετήσουν χωρίς τον χαώδη παράγοντα των πραγματικών πρωτεϊνών, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το cucurbit[8]uril — ένα συμμετρικό, καλά ορισμένο μόριο που λειτουργεί σαν μικροσκοπικό “κλουβί”. Το cucurbit[8]uril μπορεί να φιλοξενήσει διαφορετικούς “επισκέπτες” στο εσωτερικό του, και χάρη στη γεωμετρία του, οι αλλαγές στη συμπεριφορά του νερού και η ενίσχυση των δεσμών ήταν πιο εύκολο να αποτυπωθούν. Σύμφωνα με τον Professor Werner Nau του Constructor University, οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι όσο υψηλότερη είναι η ενεργειακή κατάσταση του εγκλωβισμένου νερού, τόσο μεγαλύτερη είναι και η δύναμη του δεσμού που δημιουργείται όταν αυτό εκτοπίζεται.
Ο Biedermann τονίζει πως τα αποτελέσματα δίνουν για πρώτη φορά σαφείς αποδείξεις ότι το νερό δεν είναι παθητικός θεατής αλλά κεντρικός παράγοντας στη δημιουργία δεσμών. Αυτή η ιδέα ρίχνει νέο φως ακόμη και σε φυσιολογικά συστήματα όπως τα αντισώματα. Η αποτελεσματικότητά τους μπορεί να οφείλεται, τουλάχιστον εν μέρει, στη διαδικασία με την οποία μετακινούν νερό μέσα και έξω από τις θέσεις πρόσδεσής τους — μια διαχείριση μικροσκοπικών “μοριακών κυκλοφοριακών ροών” που επηρεάζει τη συνολική χημική σταθερότητα.
Οι συνέπειες της ανακάλυψης για την ιατρική και τα υλικά μπορεί να είναι βαθιές. Στον σχεδιασμό φαρμάκων, η γνώση για το ποιες κοιλότητες πρωτεϊνών περιέχουν νερό υψηλής ενέργειας θα μπορούσε να γίνει εργαλείο πρώτης γραμμής. Αν οι χημικοί εντοπίσουν αυτά τα σημεία, μπορούν να σχεδιάσουν μόρια που δεν προσπαθούν απλώς να δέσουν καλά, αλλά εκμεταλλεύονται την αποβολή του νερού για να ενισχύσουν ακόμη περισσότερο τη σύνδεση — μια στρατηγική που ίσως βελτιώσει δραστικά την αποτελεσματικότητα φαρμάκων.
Παράλληλα, στην επιστήμη υλικών, η δημιουργία τεχνητών κοιλοτήτων που εκτοπίζουν νερό μπορεί να οδηγήσει σε πιο ευαίσθητους αισθητήρες, υλικά με μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ή νέες κατηγορίες μοριακών υποδοχέων με εντελώς νέα χαρακτηριστικά.
Για να φτάσει σε αυτό το επίπεδο κατανόησης, η ομάδα συνδύασε υψηλής ακρίβειας θερμιδομετρία — μια μέθοδο που μετρά μικροσκοπικές μεταβολές θερμότητας κατά το σχηματισμό δεσμών — με προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα από τους Dr. Jeffry Setiadi και Professor Michael K. Gilson στο University of California, San Diego. Η συνεργασία επιβεβαίωσε ότι οι παρατηρήσεις δεν είναι μεμονωμένες, αλλά αποτυπώνουν μια θεμελιώδη αρχή μοριακής φυσικής.
Το νερό, λοιπόν, δεν είναι απλώς το σκηνικό όπου εκτυλίσσονται οι χημικές διεργασίες της ζωής, αλλά ένας ενεργός, συχνά κρυφός πρωταγωνιστής. Και όσο καλύτερα κατανοούμε αυτή την αθέατη πλευρά του, τόσο πιο κοντά ερχόμαστε στο να αξιοποιήσουμε δυνάμεις που μέχρι πρότινος θεωρούσαμε δεδομένες.
Στα επόμενα χρόνια, η ανακάλυψη του “υψηλής ενέργειας” νερού μπορεί να αποδειχθεί μια από εκείνες τις σιωπηλές επιστημονικές αλλαγές που αναδιαμορφώνουν ολόκληρους κλάδους — ξεκινώντας από έναν κόσμο τόσο μικρό που χωρά άνετα μέσα σε ένα μόριο.
