A importância da água “altamente energética”

Uma parte da água da Terra reside em espaços extremamente pequenos, incluindo cavidades moleculares encontradas em locais de ligação de proteínas ou receptores sintéticos. Os cientistas debatem há muito tempo se a água nessas regiões confinadas se comporta apenas como um espectador passivo ou se afeta a interação entre as moléculas. “Normalmente, as moléculas de água interagem mais fortemente entre si. No entanto, os dados obtidos a partir de experimentos mostram que a água se comporta de maneira incomum em tais cavidades estreitas”, diz o Dr. Frank Biedermann do Instituto de Nanotecnologia do KIT. “Agora, podemos fornecer a base teórica dessas observações e provar que a água nas cavidades moleculares está energeticamente ativada.”

Por que a água “altamente energética” é importante

A equipe descreve esse estado incomum como “altamente energético”. Isso não significa que a água presa brilha ou efervesce. Em vez disso, ela contém mais energia do que a água comum. Uma analogia simples é pensar em 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 rapidamente de uma cavidade quando outra molécula chega, proporcionando uma posição aberta para a molécula recém-chegada. Essa liberação de água ajuda a fortalecer a ligação entre o recém-chegado e a cavidade molecular.

Prevendo quão fortemente as moléculas se ligarão

Para explorar esse efeito, os pesquisadores usaram o cucurbit[8]urila como uma molécula “anfitriã” modelo. Esta estrutura pode manter moléculas “convidadas” e, devido à sua alta simetria, é muito mais fácil de estudar do que uma proteína complexa. “Dependendo da molécula convidada, modelos computacionais nos permitiram calcular quanta força de ligação adicional a água altamente energética fornece”, explica o Professor Werner Nau da Universidade Constructor em Bremen. “Descobrimos que quanto mais energeticamente ativada a água estiver, melhor ela favorece a ligação entre a molécula convidada e o anfitrião quando é deslocada.”

Biedermann continua: “Os dados obtidos mostram claramente que o conceito de moléculas de água altamente energéticas é fundamentado fisicamente – e que essas moléculas de água são uma força motriz central durante a formação de ligações moleculares. Mesmo anticorpos naturais, por exemplo, contra o SARS-CoV-2, podem dever sua eficácia, em parte, à maneira como transportam moléculas de água para dentro e para fora de suas cavidades de ligação.”

Potenciais aplicações em medicina e ciência dos materiais

Essas descobertas podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de medicamentos e materiais avançados. No design de drogas, identificar água altamente energética dentro de proteínas-alvo poderia ajudar os químicos a criar moléculas que empurrem intencionalmente essa água para fora, aproveitem sua contribuição energética e se ancorem mais fortemente à proteína – melhorando, em última análise, a eficácia dos medicamentos. Na pesquisa de materiais, criar cavidades que forcem a saída ou o deslocamento dessa água poderia levar a melhores sensores ou materiais com capacidades de armazenamento aprimoradas.

Para chegar a suas conclusões, a equipe de pesquisa combinou calorimetria de alta precisão — uma técnica usada para medir mudanças de calor durante interações moleculares — com modelos computacionais desenvolvidos pelo Dr. Jeffry Setiadi e pelo Professor Michael K. Gilson da Universidade da Califórnia em San Diego.