Água oculta de alta energia revela uma nova força molecular
A água está presente em quase todos os lugares. Cobre a maior parte do nosso planeta, move-se através do corpo humano e até se instala nas mais pequenas bolsas moleculares. Mas o que acontece quando a água não consegue circular livremente e fica presa dentro desses espaços apertados? Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) e da Constructor University em Bremen demonstraram agora pela primeira vez que a água confinada pode influenciar ativamente o seu entorno e encorajar as moléculas a se ligarem mais fortemente. Os seus resultados sugerem novas oportunidades para o desenvolvimento de medicamentos e materiais avançados. O estudo aparece na Edição Internacional do Química Aplicada jornal.
Uma parte da água da Terra reside em espaços extremamente pequenos, incluindo cavidades moleculares encontradas em locais de ligação a proteínas ou receptores sintéticos. Os cientistas debatem há muito tempo se a água nestas regiões confinadas se comporta simplesmente como um espectador passivo ou afecta a forma como as moléculas interagem. “Normalmente, as moléculas de água interagem mais fortemente umas com as outras. No entanto, os dados obtidos em experimentos mostram que a água se comporta de maneira incomum em cavidades tão estreitas”, diz o Dr. Frank Biedermann do Instituto de Nanotecnologia do KIT. “Podemos agora fornecer a base teórica destas observações e provar que a água nas cavidades moleculares é activada energeticamente”.
Por que a água “altamente energética” é importante
A equipe descreve esse estado incomum como “altamente energético”. Isso não significa que a água retida brilha ou efervesce. Em vez disso, contém mais energia do que a água comum. Uma analogia simples é a de pessoas amontoadas em um elevador lotado: no momento em que a porta se abre, elas correm para escapar. Da mesma forma, a água altamente energética sai de uma cavidade quando outra molécula chega, dando à molécula que entra uma posição aberta. Esta liberação de água ajuda a fortalecer o vínculo entre o recém-chegado e a cavidade molecular.
Prevendo quão fortemente as moléculas se ligarão
Para explorar esse efeito, os pesquisadores usaram a cucurbit(8)uril como modelo de molécula “hospedeira”. Esta estrutura pode conter moléculas “convidadas” e, devido à sua alta simetria, é muito mais fácil de estudar do que uma proteína complexa. “Dependendo da molécula convidada, os modelos computacionais permitiram-nos calcular quanto mais força de ligação a água altamente energética produz”, explica o professor Werner Nau, da Constructor University, em Bremen. “Descobrimos que quanto mais ativada energeticamente a água, melhor ela favorece a ligação entre a molécula convidada e a hospedeira quando é deslocada”.
Biedermann continua: “Os dados obtidos mostram claramente que o conceito de moléculas de água altamente energéticas está fisicamente fundamentado – e que essas mesmas moléculas de água são uma força motriz central durante a formação de ligações moleculares. Mesmo os anticorpos naturais, por exemplo contra o SARS-CoV-2, podem dever a sua eficácia em parte à forma como transportam as moléculas de água para dentro e para fora das suas cavidades de ligação.”
Aplicações potenciais em medicina e ciência de materiais
Estas descobertas podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de medicamentos e materiais avançados. Na concepção de medicamentos, a identificação de água altamente energética dentro das proteínas-alvo poderia ajudar os químicos a criar moléculas que empurram intencionalmente esta água para fora, aproveitando a sua contribuição energética e ancorando-se mais fortemente à proteína – melhorando, em última análise, a eficácia do medicamento. Na pesquisa de materiais, a criação de cavidades que expulsem ou desloquem essa água poderia levar a melhores sensores ou materiais com melhores capacidades de armazenamento.
Para chegar às suas conclusões, a equipe de pesquisa combinou a calorimetria de alta precisão – uma técnica usada para medir mudanças de calor durante interações moleculares – com modelos de computador desenvolvidos pelo Dr. Jeffry Setiadi e pelo professor Michael K. Gilson da Universidade da Califórnia em San Diego.
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