Agua de alta energía: los investigadores revelan cómo el agua desplazada puede sobrealimentar la unión molecular
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"El agua no es sólo el telón de fondo de la química de la vida, sino que a menudo impulsa la acción", afirma Werner Nau, catedrático de Química de la Universidad de Constructor y coautor de un nuevo estudio publicado en Angewandte Chemie International Edition. "Si entendemos cómo se comportan las moléculas de agua dentro de los sitios de unión molecular, podremos diseñar interacciones más fuertes e inteligentes para aplicaciones en campos que van desde los medicamentos a los materiales".
En su elemento: El profesor de química de la Universidad de Constructor, Dr. Werner Nau
Constructor University
El agua está omnipresente en la vida: cubre la mayor parte de nuestro planeta, constituye la mayor parte de nuestro cuerpo y es el escenario en el que se desarrolla toda la biología. Sin embargo, no toda el agua se comporta igual. La mayor parte forma parte del vasto océano de líquido que fluye libremente, pero otra parte se encuentra atrapada en pequeños rincones, confinada en bolsas moleculares como sitios de unión de proteínas o receptores sintéticos. Estas aguas atrapadas viven bajo reglas inusuales, incapaces de establecer todas sus conexiones favoritas de enlaces de hidrógeno. En efecto, son como huéspedes hacinados en un ascensor sobrecalentado: ansiosos por salir si alguien abre la puerta.
Los científicos a veces llaman a esto "agua de alta energía", no porque brille o efervesca, sino porque se encuentra en un estado menos cómodo y más energético que el agua ordinaria. Desplazar este tipo de agua cuando entra otra molécula puede dar un "impulso" sorprendente a la fuerza de la interacción, casi como si el agua misma ayudara a empujar al recién llegado a su sitio.
Esto es exactamente lo que Werner Nau y Frank Biedermann, del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), han medido primero y cartografiado ahora. Su estudio muestra, con detalle cuantitativo, cuánto "poder de unión" adicional puede derivarse de desalojar el agua de alta energía. El trabajo se centra en sistemas modelo huésped-anfitrión, contenedores moleculares que imitan la forma en que las bolsas biológicas se aferran a las moléculas, lo que permite al equipo desentrañar las contribuciones termodinámicas precisas del desplazamiento del agua.
Cuantificar el papel de unas pocas moléculas de agua invisibles no es tarea sencilla. Los investigadores utilizaron inicialmente calorimetría de alta precisión, que mide el calor liberado o absorbido en eventos moleculares, pero la imagen completa sólo pudo resolverse con el modelado computacional realizado por Jeffry Setiadi y Michael Gilson en la Universidad de California en San Diego. Juntos, pudieron asignar números a la "bonificación de energía libre" que se produce al eliminar el agua de alta energía.
Un ejemplo sorprendente es el de la molécula macrocíclica cucurbit[8]uril, un huésped molecular muy estudiado. Cuando se une a un huésped, la salida de las moléculas de agua encapsuladas proporciona un beneficio termodinámico especialmente grande. Los resultados del equipo aportan datos concretos que respaldan un principio sospechado desde hace tiempo pero rara vez demostrado: cuanto más incómoda es el agua, más ayuda cuando se va.
Esta idea tiene implicaciones de gran alcance. En el diseño de fármacos, la identificación de aguas de alta energía en una proteína diana podría ayudar a los químicos a diseñar moléculas que las expulsen, mejorando su potencia y especificidad. En la ciencia de los materiales, la creación de cavidades que excluyan o expulsen esas aguas podría mejorar la detección o el almacenamiento. Incluso las enzimas naturales pueden deber parte de su eficacia a la forma en que organizan las moléculas de agua dentro y fuera de sus sitios activos.
"El agua de alta energía ha formado parte de la conversación en la química supramolecular y biomolecular, pero las cifras eran difíciles de precisar", dice el Prof. Biedermann. "Nuestros resultados proporcionan un mapa cuantitativo que los químicos y bioquímicos pueden aplicar a distintos sistemas para anticipar cómo influirá el agua en la unión".
El trabajo es fruto de la colaboración germano-estadounidense entre la Universidad de Constructor, el KIT y la UC San Diego, y ha sido seleccionado para la portada de Angewandte Chemie, lo que demuestra su gran interés científico.
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