Su yaşamın her yerindedir; gezegenimizin çoğunu kaplar, bedenlerimizin çoğunu oluşturur ve tüm biyolojinin gerçekleştiği sahneyi oluşturur. Ancak her su aynı şekilde davranmaz. Çoğu, geniş, serbestçe akan dökme sıvı okyanusunun bir parçasıdır, ancak bazıları kendisini protein bağlama bölgeleri veya sentetik reseptörler gibi moleküler ceplerin içinde hapsolmuş küçük köşe ve yarıklarda sıkışıp kalmış halde bulur.
Bu sıkışıp kalmış sular olağandışı kurallar altında yaşıyor ve en sevdikleri hidrojen bağı bağlantılarını kuramıyor. Aslında aşırı ısınmış bir asansöre sıkışan misafirlere benziyorlar; biri kapıyı açsa dışarı çıkmak için can atıyorlar.
Bilim adamları bazen buna diyorlar “yüksek enerjili su”- parladığı veya köpürdüğü için değil, sıradan suya göre daha az rahat, daha enerjik bir durumda olduğu için. Başka bir molekül içeri girdiğinde bu suyun yerini değiştirmek şaşırtıcı bir sonuç verebilir. “artırmak” Etkileşimin gücü, sanki suyun kendisi yeni gelenin yerine itilmesine yardımcı oluyormuş gibi.
Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü’nden (KIT) Werner Nau ve Frank Biedermann bu etkileşimi ilk kez ölçtüler ve şimdi haritasını çıkardılar. Çalışmaları, niceliksel ayrıntılarla, ne kadar ekstra “bağlayıcı güç” yüksek enerjili suyun tahliyesinden gelebilir. Çalışma, biyolojik ceplerin moleküllere tutunma şeklini taklit eden ve ekibin suyun yer değiştirmesinin kesin termodinamik katkılarını ayırmasına olanak tanıyan moleküler kaplar olan model ev sahibi-konuk sistemlerine odaklanıyor.
“Su yalnızca yaşamın kimyasının arka planı değildir; çoğu zaman aksiyonu yönlendirir,” Constructor Üniversitesi’nde Kimya Profesörü ve 2017’de yayınlanan yeni çalışmanın ortak yazarı Nau şöyle diyor: Angewandte Chemie Uluslararası Sürümü. “Su moleküllerinin moleküler bağlanma bölgelerinde nasıl davrandığını anlayarak ilaçlardan malzemelere kadar çeşitli uygulamalar için daha güçlü, daha akıllı etkileşimler tasarlayabiliriz.”
Birkaç görünmez su molekülünün rolünü ölçmek basit bir iş değildir. Araştırmacılar başlangıçta moleküler olaylarda salınan veya emilen ısıyı ölçen yüksek hassasiyetli kalorimetriyi kullandılar, ancak resmin tamamı ancak Kaliforniya San Diego Üniversitesi’nden Jeffry Setiadi ve Michael Gilson tarafından gerçekleştirilen hesaplamalı modelleme ile çözülebildi. Birlikte numaralara numara atayabilirler. “serbest enerji bonusu” bu, yüksek enerjili suyun uzaklaştırılmasından gelir.
Çarpıcı bir örnek, geniş çapta incelenen bir moleküler konakçı olan makrosiklik molekül kabakgil(8)uril’den geldi. Bir konuğu bağladığında kapsüllenmiş su moleküllerinin ayrılması özellikle büyük bir termodinamik kazanç sağlar. Ekibin sonuçları, uzun süredir şüphelenilen ancak nadiren kanıtlanan bir prensibin arkasına somut veriler koyuyor: Su ne kadar rahatsız edici olursa, ayrıldığında o kadar işe yarar.
Bu anlayışın geniş kapsamlı sonuçları var. İlaç tasarımında, bir protein hedefindeki yüksek enerjili suların belirlenmesi, kimyagerlerin onları dışarı iten, etki ve özgüllüğü artıran moleküller tasarlamasına yardımcı olabilir. Malzeme biliminde, bu tür suları dışarıda bırakan veya dışarı atan boşluklar oluşturmak, algılama veya depolama performansını artırabilir. Doğadaki enzimler bile verimliliklerinin bir kısmını, su moleküllerini aktif bölgelerine girip çıkma şekline borçlu olabilir.
“Yüksek enerjili su, supramoleküler ve biyomoleküler kimyada tartışmanın bir parçasıydı, ancak sayıları kesinleştirmek zordu.” diyor Prof. Biedermann. “Sonuçlarımız, kimyagerlerin ve biyokimyacıların suyun bağlanmayı nasıl etkileyeceğini tahmin etmek için farklı sistemlere uygulayabilecekleri niceliksel bir harita sağlıyor.”
