science >> Wetenschap >  >> Chemie

Bewijs van waterdraden gemotiveerd door een biologisch waterkanaal

Details van een waterdraad (centraal kanaal) ingebed in een zelf-geassembleerd immidazolkanaal (blauw) in een lipide-dubbellaag. De sommatie van de invallende zichtbare (groene) en IR (rode) stralen produceert een resulterende SFG-straal (somfrequentiegeneratie) die de waterstofbinding van de waterdraad op moleculair niveau karakteriseert (met dank aan Poul Petersen, Cornell universiteit). Krediet:Rensselaer Polytechnisch Instituut

Aquaporines zijn eiwitten die dienen als waterkanalen om de waterstroom door biologische celmembranen te reguleren. Ze verwijderen ook overtollig zout en onzuiverheden in het lichaam, en het is dit aspect dat de afgelopen jaren tot veel belangstelling heeft geleid voor het nabootsen van de biochemische processen van aquaporines die mogelijk voor waterontziltingssystemen kunnen worden gebruikt.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Georges Belfort heeft water ontdekt, in de vorm van "waterdraden, " zit in een ander molecuul - het imidazool - een op stikstof gebaseerde organische verbinding die zou kunnen worden gebruikt als een potentiële bouwsteen voor kunstmatige aquaporines. De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Belfort is instituutshoogleraar en hoogleraar chemische en biologische technologie aan het Rensselaer Polytechnic Institute.

collega van Belfort, Mihail Barboiu, een onderzoeksleider bij het European Membranes Institute (EMI) in Frankrijk, heeft de dynamiek van een ringstructuur van het imidazool gesynthetiseerd en bestudeerd, ingebed in een ondersteunde lipidedubbellaag (d.w.z. in een synthetisch model van een biologisch membraan rond een cel). EMI opereert onder auspiciën van verschillende organisaties, waaronder het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (afgekort CNRS in het Frans).

Röntgenstudies door Barboiu en dynamische computersimulaties door CNRS-onderzoeker Marc Baaden tonen aan dat de ringstructuur van imidazool het molecuul een ideale kandidaat maakt om te leren hoe kunstmatige aquaporines kunnen worden ontwikkeld. In theorie, geassembleerde imidazoolmoleculen werken als een aquaporine door watermoleculen binnen te laten en mogelijk door het midden van de ringstructuur te laten stromen, terwijl andere moleculen buiten blijven.

Nog altijd, er was geen direct bewijs dat er water bestond in het imidazoolwaterkanaal. Er achter komen, Barboiu riep de hulp in van Belfort en Poul Petersen, assistent-professor scheikunde aan de Cornell University.

Door hun experimentele studies, Belfort en Petersen hebben ontdekt dat er niet alleen water bestaat in het imidazoolwaterkanaal, maar ook dat de imidazoolringconstructie ervoor zorgt dat de watermoleculen zichzelf assembleren tot een sterk georiënteerde lineaire ketenstructuur - of wat de onderzoekers 'waterdraden' hebben genoemd.

"Voor de eerste keer, we hebben een directe observatie gemaakt van deze unieke waterstructuur in een synthetisch waterkanaal dat een aquaporine nabootst, ' zei Belfort.

Belfort en zijn collega's ontdekten ook dat de chiraliteit van de imidazoolmoleculen de watermoleculen oriënteert en de permeabiliteit van water door het waterkanaal zou kunnen verhogen in vergelijking met achirale (d.w.z., niet chirale) imidazoolmoleculen die ze ook hebben geassembleerd. Chiraliteit treedt op wanneer een spiegelbeeld van een object niet over elkaar heen kan worden gelegd, bijvoorbeeld je linker- en rechterhand.

In het geval van het imidazoolmolecuul, de chiraliteit ervan hangt af van de manier waarop de groepen atomen in een molecuul zijn georganiseerd. Zoals Belfort uitlegde, de chirale imidazoolatomen kunnen worden gezien als spaken op een fietswiel die niet kunnen worden gesuperponeerd op de "spaken" van een imidazool die achiraal is.

"Als je meerdere van deze ringen op elkaar legt als een stapel pannenkoeken, het centrum (de 'as') van de spaken houdt de watermoleculen vast en stelt ze in staat om op een geordende manier met elkaar te verbinden om een ​​waterdraad te vormen, " zei hij. "Onze resultaten toonden ook aan dat de waterdraad zijn oriëntatie veranderde wanneer de chiraliteit van imidazool verandert, verder bevestigend dat de chirale vorm van het imidazool bepaalt hoe het water zich gedraagt."

In hun studie hebben de onderzoekers gebruikten kunstmatige waterkanalen die ze maakten van imidazool zelf-geassembleerde structuren in lipide dubbellagen, dunne membranen die een continue barrière rond cellen vormen. De bouwstenen van imidazool werden gesynthetiseerd door Barboiu en zijn groep in Frankrijk. De onderzoeksgroep van Belfort assembleerde vervolgens de lipidedubbellagen om de imidazoolstructuren te bevatten.

Het team van Belfort gebruikte een kwartskristalmicrobalans (QCM) om de samenstelling en het watergehalte te meten. Onderzoekers gebruiken QCM om kleine massaveranderingen op een trillend kwartskristal te meten. De lipiden die de waterdraadstructuren bevatten, werden vervolgens door Mirco Sorci naar Cornell gedragen, een onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Belfort, om de aanwezigheid van de waterdraad en zijn oriëntatie verder te analyseren, met behulp van een speciaal instrument dat waterstofbruggen tussen watermoleculen meet, een spectrometer voor het genereren van somfrequenties.