Eau à haute énergie : des chercheurs révèlent comment l'eau déplacée peut renforcer la liaison moléculaire
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"L'eau n'est pas seulement la toile de fond de la chimie de la vie, elle en est souvent le moteur", explique Werner Nau, professeur de chimie à l'université Constructor et coauteur principal d'une nouvelle étude parue dans Angewandte Chemie International Edition. "En comprenant comment les molécules d'eau se comportent à l'intérieur des sites de liaison moléculaire, nous pouvons concevoir des interactions plus fortes et plus intelligentes pour des applications dans des domaines allant des médicaments aux matériaux.
Dans son élément : Werner Nau, professeur de chimie à l'université Constructor
Constructor University
L'eau est omniprésente dans la vie : elle recouvre la majeure partie de notre planète, constitue la majorité de notre corps et forme la scène sur laquelle se déroule toute la biologie. Pourtant, toutes les eaux ne se comportent pas de la même manière. La plupart d'entre elles font partie du vaste océan liquide qui s'écoule librement, mais certaines se retrouvent piégées dans de minuscules recoins, confinées dans des poches moléculaires telles que des sites de fixation de protéines ou des récepteurs synthétiques. Ces eaux piégées sont soumises à des règles inhabituelles, car elles ne peuvent pas établir toutes les liaisons hydrogène qu'elles préfèrent. En fait, elles sont comme des invités entassés dans un ascenseur surchauffé : impatients de sortir si quelqu'un ouvre la porte.
Les scientifiques appellent parfois cette eau "eau à haute énergie", non pas parce qu'elle brille ou pétille, mais parce qu'elle se trouve dans un état moins confortable et plus énergique que l'eau ordinaire. Le déplacement de cette eau lors de l'arrivée d'une autre molécule peut donner un "coup de pouce" surprenant à la force de l'interaction, un peu comme si l'eau elle-même aidait à pousser le nouvel arrivant à se mettre en place.
C'est exactement ce que Werner Nau et Frank Biedermann, de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), ont d'abord mesuré, puis cartographié. Leur étude montre, avec des détails quantitatifs, le pouvoir de liaison supplémentaire qui peut résulter de l'expulsion de l'eau à haute énergie. Les travaux se concentrent sur des systèmes hôtes-invités modèles, des conteneurs moléculaires qui imitent la façon dont les poches biologiques retiennent les molécules, ce qui permet à l'équipe de distinguer les contributions thermodynamiques précises du déplacement de l'eau.
Quantifier le rôle de quelques molécules d'eau invisibles n'est pas une tâche simple. Les chercheurs ont d'abord utilisé la calorimétrie de haute précision, qui mesure la chaleur libérée ou absorbée lors d'événements moléculaires, mais seule la modélisation informatique réalisée par Jeffry Setiadi et Michael Gilson, de l'université de Californie à San Diego, a permis d'obtenir une vue d'ensemble de la situation. Ensemble, ils ont pu attribuer des chiffres au "bonus d'énergie libre" résultant de l'élimination de l'eau à haute énergie.
Un exemple frappant est celui de la molécule macrocyclique cucurbit[8]uril, un hôte moléculaire largement étudié. Lorsqu'elle se lie à un hôte, le départ des molécules d'eau encapsulées offre un gain thermodynamique particulièrement important. Les résultats de l'équipe fournissent des données concrètes sur un principe longtemps soupçonné mais rarement prouvé : plus l'eau est inconfortable, plus elle est utile lorsqu'elle s'en va.
Cette découverte a des implications considérables. Dans la conception de médicaments, l'identification des eaux à haute énergie dans une protéine cible pourrait aider les chimistes à concevoir des molécules qui les repoussent, améliorant ainsi la puissance et la spécificité. Dans la science des matériaux, la création de cavités qui excluent ou éjectent ces eaux pourrait améliorer les performances de détection ou de stockage. Même les enzymes naturelles pourraient devoir une partie de leur efficacité à la manière dont elles font entrer et sortir les molécules d'eau de leurs sites actifs.
"L'eau à haute énergie a fait l'objet de discussions en chimie supramoléculaire et biomoléculaire, mais les chiffres étaient difficiles à cerner", explique le professeur Biedermann. "Nos résultats fournissent une carte quantitative que les chimistes et les biochimistes peuvent appliquer à différents systèmes pour anticiper l'influence de l'eau sur la liaison.
Ce travail est le fruit d'une collaboration germano-américaine entre l'université Constructor, le KIT et l'UC San Diego. Il a été sélectionné pour la couverture de la revue Angewandte Chemie, ce qui témoigne de son grand intérêt scientifique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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