El agua está en casi todas partes. Cubre la mayor parte de nuestro planeta, recorre el cuerpo humano y se asienta incluso en las bolsas moleculares más pequeñas. Pero, ¿qué sucede cuando el agua no puede circular libremente y queda atrapada dentro de estos espacios reducidos? Investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y de la Universidad Konstructor de Bremen han demostrado por primera vez que el agua confinada puede influir activamente en su entorno y favorecer que las moléculas se unan más estrechamente. Sus hallazgos sugieren nuevas oportunidades para desarrollar fármacos y materiales avanzados. La investigación aparece en Edición Internacional Química aplicada Diario
Una porción del agua de la Tierra reside en espacios extremadamente pequeños, incluidas cavidades moleculares que se encuentran en sitios de unión de proteínas o receptores sintéticos. Los científicos han debatido durante mucho tiempo si el agua en esta región confinada simplemente se comporta como un espectador pasivo o afecta la forma en que interactúan las moléculas. “Normalmente, las moléculas de agua interactúan más fuertemente entre sí. Sin embargo, los datos de los experimentos muestran que el agua se comporta de manera inusual en cavidades tan estrechas”, dijo el Dr. Frank Biedermann del Instituto de Nanotecnología del KIT. “Ahora podemos proporcionar la base teórica para estas observaciones y demostrar que el agua en la cavidad molecular es energéticamente activa”.
Por qué es importante el agua “extremadamente fuerte”
El equipo describe esta condición inusual como “altamente energética”. Esto no significa que el agua atrapada esté ardiendo o chisporroteando. En cambio, contiene más energía que el agua corriente. Una analogía común es la de las personas apiñadas en un ascensor lleno de gente: tan pronto como se abren las puertas, se apresuran a escapar. De manera similar, el agua altamente energética se escapa de una cavidad cuando llega otra molécula, lo que le da a esa molécula entrante una posición expuesta. Esta liberación de agua ayuda a fortalecer los vínculos entre los recién llegados y la cavidad molecular.
Predecir con qué fuerza se unirán las moléculas
Para explorar este efecto, los investigadores utilizaron cucurbit (8) uril como molécula modelo “huésped”. Esta estructura puede contener moléculas “huéspedes” y es mucho más fácil de estudiar que una proteína compleja debido a su alta simetría. “Dependiendo de la molécula huésped, los modelos informáticos nos permitieron calcular hasta qué punto una alta unión produce agua de alta energía”, explica el profesor Werner Nau de la Universidad Konstructor de Bremen. “Descubrimos que cuanto más energéticamente se activa el agua, mejor se une entre la molécula huésped y la huésped cuando se desplaza”.
Biedermann continuó: “Los datos obtenidos muestran claramente que el concepto de moléculas de agua extremadamente fuertes está físicamente establecido y que las moléculas de agua son una fuerza impulsora central durante la formación de enlaces moleculares. Incluso los anticuerpos naturales, por ejemplo contra el SARS-CoV-2, pueden deber su eficacia a la forma en que transportan parcialmente las moléculas de agua”.
Posibles aplicaciones en medicina y ciencia de materiales.
Estos hallazgos pueden tener implicaciones importantes para el desarrollo de fármacos y materiales mejorados. En el diseño de fármacos, identificar agua muy potente dentro de una proteína objetivo puede ayudar a los químicos a diseñar moléculas que expulsen deliberadamente esta agua, exploten su contribución energética y se anclen más fuertemente a la proteína, mejorando en última instancia la eficacia del fármaco. En la investigación de materiales, la creación de cavidades que fuercen o desplacen dicha agua puede conducir a mejores sensores o materiales con mayor capacidad de almacenamiento.
Para llegar a sus conclusiones, el equipo de investigación combinó la calorimetría de alta precisión (una técnica utilizada para medir los cambios de calor durante las interacciones moleculares) con el Dr. Jeffrey Setiadi y el profesor Michael K. con modelos informáticos creados por Gilson.
