Выяснилось, что вода, запертая в крошечных пространствах внутри белков или синтетических рецепторов, ведет себя не как обычная жидкость.
Ученые из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) и Университета Конструктор (Constructor University) в Бремене впервые показали, что такая вода становится «высокоэнергетической» и активно укрепляет связи между молекулами. Это открытие ставит точку в давних спорах о том, является ли такая вода просто пассивным соседом или полноценным участником молекулярных взаимодействий.
«Обычно молекулы воды сильнее всего взаимодействуют друг с другом», — объясняет доктор Франк Бидерманн из Института нанотехнологий KIT. — «Но экспериментальные данные давно показывали, что в узких полостях вода ведет себя необычно. Теперь мы дали теоретическое обоснование и доказали: вода в молекулярных полостях энергетически активирована». Термин «высокоэнергетическая» здесь не означает, что вода светится или нагревается. Скорее, ее можно сравнить с людьми в переполненном лифте: когда двери открываются, все стремятся наружу. Так и эта вода, будучи вытесненной другой молекулой, высвобождает энергию, что и усиливает связь между «хозяином» полости и его «гостем».
Для своего исследования ученые использовали молекулу-хозяина cucurbit[8]uril — своего рода симметричный контейнер, в который могут попадать другие молекулы. С помощью компьютерных моделей, созданных в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, они смогли количественно оценить этот эффект. «В зависимости от гостевой молекулы, мы рассчитали, насколько большую силу связывания обеспечивает высокоэнергетическая вода», — поясняет профессор Вернер Нау из Строительного Университета. — «Мы обнаружили четкую корреляцию: чем более энергетически активна вода, тем прочнее связывание».
Это фундаментальное открытие имеет совершенно практические последствия. В фармакологии, например, идентификация высокоэнергетической воды в целевых белках позволяет по-новому подойти к дизайну лекарств. Вещество можно сконструировать так, чтобы оно эффективно вытесняло эту воду и использовало высвобождаемую энергию для более прочного связывания с мишенью, что потенциально повысит эффективность препарата. Бидерманн также предполагает, что даже естественные антитела, в том числе и против SARS-CoV-2, могут быть частично обязаны своей эффективностью именно этому молекулярно-водному механизму. В материаловедении же создание полостей, которые будут управлять состоянием воды, открывает путь к улучшению свойств сенсоров и устройств памяти.