اكتشف العلماء اختباء المياه “عالية الطاقة” على مرأى من الجميع

يتصرف الماء بشكل مختلف عندما يحبس في مساحات مجهرية بدلا من التدفق بحرية. وقد أظهر الباحثون أن هذه المياه المحصورة تصبح “شديدة النشاط”، مما يؤثر على كيفية ارتباط الجزيئات ببعضها البعض.

يوجد الماء في كل مكان تقريبًا على الأرض. فهو يشكل معظم سطح كوكبنا، ويدور عبر أجسامنا، بل ويختبئ في أصغر المساحات الجزيئية. ولكن ماذا يحدث عندما يكون الماء محصوراً وغير قادر على التحرك بحرية؟

أظهر علماء من معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) وجامعة كونستراكتور في بريمن لأول مرة أن المياه المحصورة يمكن أن تؤثر بشكل فعال على بيئتها وتقوي الروابط بين الجزيئات. اكتشافهم يمكن أن يلهم أساليب جديدة في تطوير الأدوية وإنشاء مواد متقدمة. ونشرت النتائج في الطبعة الدولية لمجلة “Angewandte Chemie”.

توجد بعض مياه الكوكب داخل جيوب مجهرية، مثل مواقع ربط البروتينات أو داخل المستقبلات الجزيئية الاصطناعية. حتى الآن، ناقش العلماء ما إذا كانت هذه المياه المحبوسة تتعايش ببساطة مع الجزيئات القريبة أو تلعب دورًا فعليًا في كيفية تفاعلها.

“عادة، تتفاعل جزيئات الماء بقوة مع بعضها البعض. ومع ذلك، تظهر البيانات التي تم الحصول عليها من التجربة أن الماء يتصرف بشكل غير عادي في مثل هذه التجاويف الضيقة،” يوضح الدكتور فرانك بيدرمان من معهد تكنولوجيا النانو التابع لمعهد KIT. “يمكننا الآن توفير الأساس النظري لهذه الملاحظات وإثبات أن الماء في التجاويف الجزيئية يتم تنشيطه بقوة.”

يصف الباحثون هذه الحالة بأنها “شديدة النشاط” (ليس لأن الماء يتوهج أو يحدث فقاعات، ولكن لأنه يحمل طاقة أكبر من الماء العادي). في هذه الحالة، تعمل المياه المحصورة إلى حد ما مثل الأشخاص المحصورين في مصعد مزدحم: بمجرد فتح الباب، يندفعون للخروج. وبالمثل، يهرب الماء عالي النشاط من تجويفه عندما يصل جزيء آخر، ويدفع ذلك الجزيء إلى الفضاء الذي يتركه وراءه. يساعد إطلاق الطاقة هذا على تقوية الاتصال بين الجزيء الوارد والتجويف نفسه.

تسمح النتائج بالتنبؤ بقوة الربط

استخدم الباحثون القرعيات (8) يوريل كجزيء “مضيف”. وهي قادرة على استقبال جزيئات أخرى تسمى جزيئات “الضيف”، وبفضل درجة تماثلها العالية، يمكن تحليلها بشكل أسهل بكثير من الأنظمة المعقدة مثل البروتينات.

يوضح البروفيسور فيرنر ناو من جامعة كونستراكتور في بريمن: “اعتمادًا على الجزيء الضيف، مكنتنا نماذج الكمبيوتر من حساب مقدار قوة الربط الإضافية التي ينتجها الماء عالي الطاقة”. “لقد وجدنا أنه كلما كان الماء أكثر نشاطًا، كلما كان الارتباط أفضل بين الجزيء الضيف والمضيف عند إزاحته”.

ويضيف بيدرمان: “تظهر البيانات التي تم الحصول عليها بوضوح أن مفهوم جزيئات الماء عالية النشاط له أسس فيزيائية – وأن جزيئات الماء ذاتها هي قوة دافعة مركزية أثناء تكوين الروابط الجزيئية. حتى الأجسام المضادة الطبيعية، على سبيل المثال ضد سارس-كوف-2قد تدين فعاليتها جزئيًا إلى الطريقة التي تنقل بها جزيئات الماء داخل وخارج تجاويفها الملزمة.

صالحة للاستعمال للأدوية أو المواد الجديدة

قد يكون لنتائج بيدرمان وناو تأثير كبير على الطب وعلوم المواد. وبالنسبة لتصميم الأدوية، فإن تحديد الماء عالي النشاط في البروتينات المستهدفة يفتح إمكانية تصميم عوامل نشطة بشكل منهجي على النحو الذي يجعلها تحل محل هذا الماء، وتستفيد من قوة ربطه، وبالتالي تصبح أكثر رسوخا في البروتين ــ وهو ما من شأنه أن يحسن فعالية الدواء. في علم المواد، قد يؤدي إنتاج التجاويف التي تدفع أو تزيح هذا الماء إلى تحسين استشعار المادة أو أداء تخزينها.

في دراستهم، جمع الباحثون قياس السعرات الحرارية عالي الدقة – وهي طريقة لقياس الحرارة المنبعثة أو الممتصة أثناء العمليات الجزيئية – مع نماذج الكمبيوتر التي أنشأها الدكتور جيفري سيتيادي والبروفيسور مايكل ك. جيلسون في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو.

المرجع: “الديناميكا الحرارية لإزاحة المياه من مواقع الربط ومساهماتها في التقارب فوق الجزيئي والجزيئي الحيوي” بقلم جيفري سيتيادي وفرانك بيدرمان وفيرنر إم ناو ومايكل ك. جيلسون، 4 يونيو 2025، الطبعة الدولية للكيمياء التطبيقية.
دوى: 10.1002/anie.202505713

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.