Το νερό, αν και μπορεί να φαίνεται ως η πιο κοινή ουσία στη Γη, κρύβει κάτω από την επιφάνεια μια απρόσμενα περίπλοκη και δυναμική συμπεριφορά. Σύμφωνα με πρόσφατη έρευνα του Karlsruhe Institute of Technology (KIT) και του Constructor University στη Βρέμη, τα μόρια του νερού που είναι εγκλωβισμένα σε μίνι μοριακές κοιλότητες διαθέτουν πολύ αυξημένη ενέργεια σε σύγκριση με την συνηθισμένη τους κατάσταση. Αυτή η «υψηλή ενέργεια» ωθεί τα μόρια να «εκτινάσσονται» προς τα έξω μόλις εμφανιστεί μια χημική ένωση που μπορεί να αλληλεπιδράσει μαζί τους. Αυτό το φαινόμενο, όπως δείχνει η πειραματική και θεωρητική ανάλυση των ερευνητών, έχει τη δυνατότητα να ενισχύσει τη δύναμη των μοριακών δεσμών και οι επιπτώσεις είναι εκτενείς για την ιατρική, τη φαρμακευτική και την επιστήμη υλικών.
Η μελέτη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Angewandte Chemie International Edition, εξετάζει μια αναπάντητη ερώτηση που απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και χρόνια: Ποιος είναι ο ρόλος του εγκλωβισμένου νερού σε πρωτεΐνες ή τεχνητούς υποδοχείς; Παρακολουθεί παθητικά τις χημικές διεργασίες ή συμμετέχει ενεργά; Όπως σημειώνει ο Dr. Frank Biedermann από το Institute of Nanotechnology στο KIT, τα ευρήματα αποκαλύπτουν πως το νερό στις στενές κοιλότητες αποθηκεύει ενέργεια με έναν τρόπο που ξεπερνά τη συμβατική του συμπεριφορά. Όταν μια κατάλληλη χημική ένωση φτάσει, το νερό «ξεχύνεται», ελευθερώνοντας χώρο και διευκολύνοντας τη σύνδεση του νέου μορίου.
Η επιστημονική ομάδα περιγράφει αυτό το φαινόμενο ως κατάσταση «υψηλής ενέργειας». Η απεικόνιση παραπέμπει σε ανθρώπους στριμωγμένους σε ασανσέρ: πιέζονται στους τοίχους και συγκεντρώνουν ένταση, και μόλις ανοίξει η πόρτα, βγαίνουν ταχύτατα. Σε μοριακό επίπεδο, η έξοδος του νερού δημιουργεί ιδανικές συνθήκες ώστε να προσδεθεί το νέο μόριο με ακόμη μεγαλύτερη ισχύ.
Για να μπορέσουν οι ερευνητές να επισημάνουν και να αναλύσουν το φαινόμενο, χρησιμοποίησαν το cucurbit[8]uril — ένα συμμετρικό μόριο που λειτουργεί ως μικροσκοπικό «κλουβί». Αυτός ο μοναδικός πολυμερής σχηματισμός μπορεί να φιλοξενήσει διάφορους «επισκέπτες» μέσα του, διευκολύνοντας τη μελέτη της συμπεριφοράς του νερού και την ενίσχυση των δεσμών. Σύμφωνα με τον Professor Werner Nau από το Constructor University, οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι η ενεργειακή κατάσταση του εγκλωβισμένου νερού σχετίζεται άμεσα με τη δύναμη του δεσμού που σχηματίζεται όταν εκτοπίζεται.
Ο Biedermann υπογραμμίζει πως τα αποτελέσματα παρέχουν τις πρώτες σαφείς αποδείξεις ότι το νερό δεν είναι απλώς παθητικός παρατηρητής, αλλά κεντρικό στοιχείο της δημιουργίας χημικών δεσμών. Αυτή η ανακάλυψη ρίχνει νέο φως, ακόμα και σε φυσιολογικά συστήματα όπως τα αντισώματα, δείχνοντας πως η αποτελεσματικότητα τους μπορεί εν μέρει να οφείλεται στη διαχείριση του νερού στις θέσεις πρόσδεσης — μια διαδικασία που καθορίζει τη χημική σταθερότητα των μορίων.
Οι συνέπειες αυτής της ανακάλυψης για την ιατρική και τη χημεία των υλικών ενδέχεται να είναι πιο σημαντικές από ότι μπορούμε να παρηγορήσουμε. Στον τομέα του σχεδιασμού φαρμάκων, η κατανόηση των κοιλοτήτων πρωτεϊνών που περιέχουν νερό υψηλής ενέργειας μπορεί να αποδειχθεί ανατρεπτική. Αν οι ερευνητές μπορέσουν να εντοπίσουν αυτές τις συγκεκριμένες περιοχές, θα είναι σε θέση να σχεδιάσουν μόρια που όχι μόνο δεσμεύονται ισχυρά, αλλά αξιοποιούν και τη διαδικασία αποβολής του νερού για επιπλέον ενίσχυση της σύνδεσης — μια στρατηγική που μπορεί να ενισχύσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα φαρμάκων.
Επιπλέον, στην επιστήμη των υλικών, η δημιουργία τεχνητών κοιλοτήτων που εκτοπίζουν το νερό μπορεί να οδηγήσει σε πιο ευαίσθητους αισθητήρες, νέα υλικά με μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ή και πρωτοφανείς κατηγορίες μοριακών υποδοχέων με εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά.
Για να καταλήξουν σε αυτά τα ευρήματα, η ομάδα συνδύασε θερμιδομετρία υψηλής ακρίβειας — μια μέθοδο που μετρά τις μικρές μεταβολές θερμότητας κατά το σχηματισμό χημικών δεσμών — με προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα από τους Dr. Jeffry Setiadi και Professor Michael K. Gilson στο University of California, San Diego. Αυτή η συνεργασία επιβεβαίωσε ότι οι παρατηρήσεις δεν είναι αυθαίρετες, αλλά εντάσσονται σε μια θεμελιώδη αρχή της μοριακής φυσικής.
Άρα, το νερό δεν περιορίζεται να είναι απλώς το «σκηνικό» όπου εξελίσσονται οι χημικές διεργασίες της ζωής, αλλά αποτελεί έναν ενεργό, συχνά κρυφό πρωταγωνιστή. Όσο περισσότερο κατανοούμε αυτή την αθέατη πλευρά του, τόσο περισσότερο πλησιάζουμε την επίτευξη δυνάμεων που μέχρι πρότινος θεωρούσαμε δεδομένες.
Τα επόμενα χρόνια, η ανακάλυψη του «υψηλής ενέργειας» νερού ενδέχεται να αποδειχθεί καταλυτική για την αλλαγή ολόκληρων επιστημονικών κλάδων — ξεκινώντας από μια διάσταση που χωρά εύκολα μέσα σε ένα μόριο.
