水幾乎無處不在。它覆蓋了我們星球的大部分區域，穿過人體並進入最小的分子口袋。但是，當水無法自由循環並被困在這些狹小的空間中時會發生什麼？來自卡爾斯魯厄理工學院 (KIT) 和不萊梅建築大學的研究人員首次證明，封閉水可以積極影響其環境並誘導分子更牢固地結合。他們的結果為開發藥物和先進材料提供了新的可能性。它出現在國際研究版 應用化學 該雜誌
地球上的一些水包含在非常小的空間中，包括蛋白質結合位點或合成受體中發現的分子空腔。長期以來，科學家們一直在爭論水是否在這些有限區域中充當被動旁觀者或影響分子的相互作用。 “通常情況下，水分子之間的相互作用最多。然而，實驗獲得的數據表明，水在如此狹窄的空腔中表現得異常，”卡爾斯魯厄理工學院納米技術研究所的 Frank Biedermann 博士說。 “我們現在可以為這些觀察提供理論基礎，並證明分子腔中的水被能量激活。”
為什麼“高能”水很重要
該團隊將這種不尋常的情況描述為“高能量”。這並不意味著被困的水會閃閃發光或點燃。相反，它比普通水儲存更多的能量。一個簡單的比喻就是擁擠的電梯：門一打開，人們就爭先恐後地逃走。同樣，當另一個分子到達時，高能水會從空腔中噴出，為該進入的分子提供一個開放位置。這種水的釋放有助於加強新來者和分子空腔之間的結合。
預測分子如何結合
為了研究這種效應，研究人員使用葫蘆(8)尿素作為模型“宿主”分子。這種結構可以包含“客體”分子，並且由於其高度對稱性，它比複雜的蛋白質更容易研究。 “根據負載的分子，計算機模型使我們能夠計算出高能水提供了多少結合力，”不萊梅建築大學的沃納·瑙教授解釋道。 “水的活性越高，客體分子和主體分子在置換時的結合就越好。”
Biedermann 繼續說道：“獲得的數據清楚地表明，高能水分子的概念是物理上建立的，這些水分子是分子鍵形成的非常重要的驅動力。即使是針對 SARS-CoV-2 的天然抗體，其有效性也可能在一定程度上歸因於水分子進入和離開結合腔的方式。”
在醫學和材料科學中的潛在應用
這些發現可能對藥物開發和先進材料具有重要意義。在藥物設計中，識別目標蛋白質中的高能水可以幫助化學家創造出故意排出這種水的分子，利用其能量貢獻並將其更牢固地錨定在蛋白質上，最終提高藥物療效。在材料研究中，創建排出或置換這些水的空腔可以產生更好的傳感器或具有更好存儲能力的材料。
為了得出結論，研究小組將高精度量熱法（一種用於測量分子相互作用過程中熱量變化的技術）與加州大學聖地亞哥分校的 Jeffry Setiadi 博士和 Michael K. Gilson 教授開發的計算機模型進行了比較。
