Water is de meest overvloedige natuurlijke hulpbron van de aarde, maar het is ook een beetje een mysterie vanwege zijn unieke solvatatiekenmerken - dat wil zeggen, hoe dingen erin oplossen.

"Het is uniek aangepast aan de biologie, en vice versa, " zei Poul Petersen, assistent-professor scheikunde en chemische biologie. "Het is superflexibel. Het verdrijft energie en bemiddelt bij interacties, en dat wordt steeds meer erkend in biologische systemen."

Hoe water zich verhoudt tot en interageert met die systemen – zoals DNA, de bouwsteen van alle levende wezens – is van cruciaal belang, en de groep van Petersen heeft een relatief nieuwe vorm van spectroscopie gebruikt om een ​​voorheen onbekende eigenschap van water waar te nemen.

"DNA's chirale ruggengraat van hydratatie, " gepubliceerd op 24 mei in het tijdschrift American Chemical Society centrale wetenschap , meldt de eerste waarneming van een chirale watersuperstructuur rond een biomolecuul. In dit geval, de waterstructuur volgt de iconische spiraalvormige structuur van DNA, die zelf chiraal is, wat betekent dat het niet op zijn spiegelbeeld kan worden gelegd. Chiraliteit is een sleutelfactor in de biologie, omdat de meeste biomoleculen en geneesmiddelen chiraal zijn.

"Als je reactiviteit en biologie wilt begrijpen, dan is het niet alleen water op zich, " zei Petersen. "Je wilt water rond dingen begrijpen, en hoe het met de dingen omgaat. En vooral met biologie, je wilt begrijpen hoe het zich gedraagt ​​rond biologisch materiaal - zoals eiwitten en DNA."

Water speelt een belangrijke rol in de structuur en functie van DNA, en zijn hydratatieschaal is het onderwerp van veel studie geweest. Moleculaire dynamische simulaties hebben een breed scala aan gedragingen van de waterstructuur in de kleine groef van DNA aangetoond, het gebied waar de ruggengraat van de spiraalvormige streng dicht bij elkaar ligt.

Het werk van de groep maakte gebruik van chirale som-frequentiegeneratie-spectroscopie (SFG), een techniek die Petersen gedetailleerd beschreven in een paper uit 2015 in de Journal of Physical Chemistry . SFG is een niet-lineaire optische methode waarbij twee fotonenbundels - een infrarood en een zichtbaar - interageren met het monster, het produceren van een SFG-straal die de som van de frequenties van de twee stralen bevat, of energieën. In dit geval, het monster was een DNA-streng gekoppeld aan een met silicium gecoat prisma.

Meer manipulatie van de bundels en berekening bewees het bestaan ​​van een chirale watersuperstructuur die DNA omringt.

Naast de nieuwigheid van het observeren van een chirale waterstructuursjabloon door een biomolecuul, chirale SFG biedt een directe manier om water in de biologie te onderzoeken.

"De technieken die we hebben ontwikkeld, bieden een nieuwe manier om DNA-hydratatie te bestuderen, evenals andere supramoleculaire chirale structuren, ' zei Petersen.

De groep geeft toe dat de biologische relevantie van hun bevinding onduidelijk is, maar Petersen vindt het vermogen om water en het gedrag ervan binnen biologische systemen direct te onderzoeken, belangrijk.

"Zeker, chemische ingenieurs die biomimetische systemen ontwerpen en naar biologie kijken en toepassingen zoals waterfiltratie proberen te vinden, zouden zich hier druk over maken, " hij zei.

Een andere toepassing, Petersen zei, zou kunnen zijn in het creëren van betere anti-biofouling materialen, die resistent zijn tegen de ophoping van micro-organismen, algen en dergelijke op natte oppervlakken.