L'acqua intrappolata in cavità molecolari di dimensioni nanometriche non si comporta come un semplice spettatore passivo, ma diventa un vero e proprio protagonista energetico capace di influenzare in modo significativo la forza con cui le molecole si legano tra loro. Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Angewandte Chemie International Edition, emerge da una collaborazione tra ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Germania e della Constructor University di Brema, e potrebbe aprire nuove prospettive nello sviluppo di farmaci più efficaci e materiali avanzati. Il fenomeno riguarda una porzione dell'acqua terrestre che risiede in spazi estremamente ristretti, come i siti di legame delle proteine o i recettori sintetici, dove le molecole d'acqua assumono proprietà fisiche inaspettate.
Il concetto chiave introdotto dallo studio è quello di acqua "altamente energetica", un termine che descrive uno stato molecolare particolare in cui l'acqua confinata accumula energia superiore rispetto all'acqua libera. Il dottor Frank Biedermann, dell'Institute of Nanotechnology del KIT, spiega che normalmente le molecole d'acqua interagiscono principalmente tra loro, ma i dati sperimentali dimostrano comportamenti anomali quando l'acqua si trova compressa in cavità molecolari ristrette. Gli scienziati hanno ora fornito per la prima volta la base teorica di queste osservazioni, dimostrando che l'acqua in questi ambienti confinati raggiunge effettivamente uno stato energetico attivato.
Per comprendere meglio questo fenomeno, i ricercatori propongono un'analogia efficace: le molecole d'acqua in questi spazi ristretti si comportano come persone stipate in un ascensore affollato che, non appena si aprono le porte, si affrettano a uscire. Quando una nuova molecola si avvicina a una cavità molecolare contenente acqua altamente energetica, quest'ultima viene rapidamente espulsa, liberando spazio e rilasciando la sua energia in eccesso. Questo processo contribuisce in modo determinante a rafforzare il legame tra la molecola ospite e quella appena arrivata, un meccanismo che ha profonde implicazioni per la comprensione dei processi biochimici fondamentali.
La metodologia impiegata nello studio combina calorimetria di alta precisione con modelli computazionali avanzati sviluppati dal dottor Jeffry Setiadi e dal professor Michael K. Gilson dell'University of California a San Diego. Come sistema modello, il team ha utilizzato il cucurbit[8]uril, una molecola "ospite" caratterizzata da un'elevata simmetria che la rende molto più semplice da studiare rispetto alle proteine complesse. Questa struttura è in grado di accogliere molecole "guest" al suo interno, permettendo ai ricercatori di misurare con precisione i cambiamenti energetici durante le interazioni molecolari.
Il professor Werner Nau della Constructor University di Brema sottolinea che i calcoli hanno rivelato una correlazione diretta: maggiore è l'attivazione energetica dell'acqua confinata, più favorevole diventa il legame tra molecola ospite e molecola guest quando l'acqua viene spostata. I dati ottenuti dimostrano in modo inequivocabile che il concetto di molecole d'acqua altamente energetiche ha un solido fondamento fisico e che queste molecole rappresentano una forza motrice centrale nella formazione dei legami molecolari.
Le implicazioni di questa scoperta si estendono anche ai meccanismi di funzionamento degli anticorpi naturali, compreso quelli diretti contro SARS-CoV-2. Secondo i ricercatori, l'efficacia di questi anticorpi potrebbe dipendere in parte proprio dalla loro capacità di trasportare molecole d'acqua dentro e fuori dalle loro cavità di legame, sfruttando il contributo energetico dell'acqua confinata per stabilizzare il legame con l'antigene bersaglio.
Nel campo dello sviluppo farmacologico, questa comprensione apre scenari promettenti. Identificare la presenza di acqua altamente energetica all'interno delle proteine bersaglio potrebbe consentire ai chimici farmaceutici di progettare molecole che intenzionalmente espellono quest'acqua, catturando il suo contributo energetico per ancorarsi in modo più stabile alla proteina target. Questo approccio potrebbe tradursi in farmaci con efficacia significativamente aumentata e potenzialmente minori dosaggi necessari.
Anche la scienza dei materiali potrebbe beneficiare di queste conoscenze. La progettazione di cavità molecolari capaci di forzare l'espulsione di acqua altamente energetica potrebbe portare allo sviluppo di sensori più sensibili o materiali con capacità di stoccaggio migliorate. Il controllo preciso del comportamento dell'acqua a scala nanometrica rappresenta infatti una delle frontiere più promettenti della nanotecnologia applicata.
Le prospettive future della ricerca includono l'estensione di questi principi a sistemi biologici più complessi e l'applicazione dei modelli computazionali sviluppati alla progettazione razionale di nuove molecole terapeutiche. Resta ancora da esplorare completamente come questo fenomeno si manifesti in ambienti biologici reali, caratterizzati da una complessità molto superiore rispetto ai sistemi modello utilizzati nello studio.