Ein Team von Forscherinnen und Forschern vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Constructor University in Bremen hat einen bahnbrechenden Nachweis erbringt: „eingesperrtes“ Wasser kann die Bindung zwischen Molekülen verstärken. Diese Ergebnisse, veröffentlicht in der renommierten Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition, eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung innovativer Medikamente und Materialien. Bisher war es unklar, ob Wasser, das in molekularen Taschen wie Proteinbindungsstellen oder synthetischen Rezeptoren eingeschlossen ist, eine neutrale Rolle spielt oder die Interaktionen zwischen Molekülen beeinflusst.
Dr. Frank Biedermann vom KIT erläutert, dass Wasser in engen Taschen eine energetisch angespannte Form annimmt. Diese spezielle Wasserform wird als „hochenergetisch“ bezeichnet und agiert ähnlich wie Menschen in einem überfüllten Aufzug: Sie drängt zur Seite, wenn ein anderes Molekül eintritt, was die Bindung zwischen dem neuen Molekül und der Tasche verstärkt. Professor Werner Nau, Co-Leiter der Studie, betont, dass die Bindungskraft dieses hochenergetischen Wassers direkt von dessen energetischer Anspannung abhängig ist.
Einfluss auf die Arzneimittelentwicklung und Materialwissenschaft
Die vorliegende Untersuchung, die auch durch präzise thermodynamische Analysen unterstützt wird, zeigt, dass hochenergetische Wassermoleküle eine zentrale Rolle bei der Bildung molekularer Bindungen spielen. Insbesondere ist diese Erkenntnis für die Arzneimittelentwicklung von Bedeutung. Hochenergetisches Wasser könnte dazu verwendet werden, Wirkstoffe im Protein stabiler zu verankern. In der Materialwissenschaft könnte die gezielte Herstellung von Hohlräumen, die solches Wasser ausschließen, die Sensorik und die Speicherleistung von Materialien verbessern.
Die Studie verwendete das Wirtmolekül Cucurbit[8]uril, das eine einfachere Analyse ermöglicht als komplexe Systeme wie Proteine. Diese Kombination aus hochpräziser Kalorimetrie und theoretischen Modellen, die von Dr. Jeffry Setiadi und Professor Michael K. Gilson von der University of California in San Diego entwickelt wurden, liefert wertvolle quantitative Daten zur Rolle von Wasser in Bindungsprozessen. Die Ergebnisse stützen die Bedeutung von water-based Chemistry und zeigen, wie verdrängtes Wasser die Bindungsenergie zwischen Molekülen erhöhen kann, was einen wesentlichen Beitrag zur wässrigen Chemie darstellt.idw-online.de berichtet, dass diese Studie zudem relevante Fortschritte in der Modellierung von Wassereigenschaften beleuchtet.
Die Rolle von Wasser in der Chemie
Die essenzielle Rolle von Wasser in chemischen Reaktionen und biologischen Prozessen ist unbestritten. Historienschläge aus dem Bereich der wässrigen Chemie zeigen, wie wichtig es ist, das Verhalten von Wasser in verschiedenen Kontexten zu verstehen. Wasser ist nicht nur ein Lebenselixier; seine einzigartigen Eigenschaften, wie hohe Oberflächenspannung und die Fähigkeit, viele Substanzen zu lösen, machen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Prozesse. Es umgibt und trennt Ionen in ionischen Verbindungen und verändert sein Verhalten basierend auf Temperatur- und Druckverhältnissen.
Die Fortschritte in der Anwendung datengetriebener Methoden und computergestützter Modellierung ermöglichen es Forschern, das Verhalten von Wasser innovativ zu untersuchen und dabei die Grenzen des traditionellen Verständnisses zu überschreiten. Zukünftige Forschungen in der wässrigen Chemie könnten dabei helfen, neue Wege zur Verbesserung der Wasserqualität und zur Entwicklung effizienter Materialien zu finden, die eng mit den Eigenschaften von Wasser interagieren. scisimple.com hebt hervor, dass die zukünftige Forschung auf das dynamische Feld der Wasserchemie abzielt und interessante Perspektiven bietet.
