A água está presente quase em toda parte. Ela cobre a maior parte do nosso planeta, circula pelo corpo humano e até se acumula nos menores espaços moleculares. Mas o que acontece quando a água não consegue circular livremente e fica presa dentro desses espaços apertados? Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT) e da Universidade Constructor em Bremen mostraram agora, pela primeira vez, que a água confinada pode influenciar ativamente seu entorno e incentivar moléculas a se unirem de forma mais forte. Os resultados sugerem novas oportunidades para o desenvolvimento de medicamentos e materiais avançados. O estudo aparece na Edição Internacional da revista Angewandte Chemie.
Uma parte da água da Terra reside em espaços extremamente pequenos, incluindo cavidades moleculares encontradas em locais de ligação de proteínas ou receptores sintéticos. Os cientistas debateram por muito tempo se a água nessas regiões confinadas simplesmente se comporta como uma espectadora passiva ou afeta como as moléculas interagem. “Normalmente, as moléculas de água interagem mais fortemente entre si. No entanto, os dados obtidos a partir da experiência mostram que a água se comporta de maneira incomum em tais cavidades estreitas”, diz o Dr. Frank Biedermann do Instituto de Nanotecnologia do KIT. “Agora poderíamos fornecer a base teórica dessas observações e provar que a água nas cavidades moleculares está energeticamente ativada.”
Por que a água “Altamente Energética” é Importante
A equipe descreve esse estado incomum como “altamente energético”. Isso não significa que a água presa brilha ou efervesce. Em vez disso, ela contém mais energia do que a água comum. Uma analogia simples é com pessoas empacotadas em um elevador lotado: no momento em que a porta se abre, elas se apressam para sair. Da mesma forma, a água altamente energética sai rapidamente de uma cavidade quando uma outra molécula chega, dando àquela molécula uma posição aberta. Essa liberação de água ajuda a fortalecer a ligação entre o recém-chegado e a cavidade molecular.
Prevendo Quão Fortemente as Moléculas se Ligam
Para explorar esse efeito, os pesquisadores usaram o cucurbit[8]uril como uma molécula “hospedeira” modelo. Essa estrutura pode reter “moléculas anfitriãs” e, por causa de sua alta simetria, é muito mais fácil de estudar do que uma proteína complexa. “Dependendo da molécula anfitriã, os modelos computacionais nos permitiram calcular quanta força adicional de ligação a água altamente energética proporciona”, explica o Professor Werner Nau da Universidade Constructor em Bremen. “Descobrimos que quanto mais energeticamente ativada a água está, melhor ela favorece a ligação entre a molécula anfitriã e a molécula anfitriã quando é deslocada.”
Biedermann continua: “Os dados obtidos mostram claramente que o conceito de moléculas de água altamente energéticas está fisicamente fundamentado — e que essas moléculas de água são uma força central durante a formação das ligações moleculares. Mesmo os anticorpos naturais, por exemplo, contra o SARS-CoV-2, podem dever sua eficácia em parte à maneira como transportam moléculas de água para dentro e para fora de suas cavidades de ligação.”
Potenciais Aplicações em Medicina e Ciência de Materiais
Essas descobertas podem ter implicações importantes para o desenvolvimento de medicamentos e materiais avançados. No design de medicamentos, identificar água altamente energética dentro de proteínas-alvo pode ajudar os químicos a criarem moléculas que empurrem intencionalmente essa água para fora, aproveitem sua contribuição energética e se fixem mais fortemente à proteína — melhorando, em última instância, a eficácia do medicamento. Na pesquisa de materiais, criar cavidades que forcem a saída ou o deslocamento de tal água pode levar a melhores sensores ou materiais com capacidades de armazenamento melhoradas.
Para chegar a suas conclusões, a equipe de pesquisa combinou calorimetria de alta precisão — uma técnica usada para medir mudanças de calor durante interações moleculares — com modelos computacionais desenvolvidos pelo Dr. Jeffry Setiadi e pelo Professor Michael K. Gilson da Universidade da Califórnia em San Diego.