Международная группа исследователей во главе с Жоржем Белфортом обнаружила воду в форме «водяных проводов», содержащуюся в другой молекуле — имидазоле — органическом соединении на основе азота, которое может быть использовано в качестве потенциального строительного блока для искусственные аквапорины. Результаты были недавно опубликованы в журнале Science Advances Американской ассоциации развития науки.
Белфорт — профессор института и профессор химической и биологической инженерии в Политехническом институте Ренсселера.Коллега Белфора, Михаил Барбойю, руководитель исследований в Европейском институте мембран (EMI) во Франции, синтезировал и изучил динамику кольцевой структуры имидазола, встроенного в поддерживаемый липидный бислой (то есть в синтетической модели биологической мембраны. окружающие камеру).
EMI работает под эгидой нескольких организаций, в том числе Национального центра научных исследований Франции (сокращенно CNRS на французском языке).Рентгеновские исследования Барбойю и динамическое компьютерное моделирование исследователя CNRS Марка Баадена показывают, что кольцевая структура имидазола делает молекулу идеальным кандидатом для изучения того, как могут быть созданы искусственные аквапорины.
Теоретически собранные молекулы имидазола действуют как аквапорин, позволяя молекулам воды входить и, возможно, протекать через центр кольцевой структуры, удерживая при этом другие молекулы.Тем не менее, прямых доказательств существования воды внутри водного канала имидазола не было. Чтобы выяснить это, Барбойю заручился помощью Белфорта и Пола Петерсенов, доцента химии Корнельского университета.
В ходе своих экспериментальных исследований Белфорт и Петерсен обнаружили, что не только вода существует в водном канале имидазола, но и что конструкция имидазольного кольца побуждает молекулы воды к самоорганизации в высокоориентированную линейную цепную структуру — или что исследователи окрестили "водопроводом".«Впервые мы сделали прямое наблюдение этой уникальной структуры воды внутри синтетического водного канала, имитирующего аквапорин», — сказал Белфорт.Белфорт и его коллеги также обнаружили, что хиральность молекул имидазола ориентирует молекулы воды и может увеличить проницаемость воды через водный канал по сравнению с ахиральными (то есть не хиральными) молекулами имидазола, которые они также собирают. Хиральность возникает, когда зеркальное отображение объекта не может быть наложено, например, левой и правой руки.
В случае молекулы имидазола его хиральность зависит от способа организации групп атомов в молекуле. Как объяснил Белфорт, хиральные атомы имидазола можно рассматривать как спицы на велосипедном колесе, которые нельзя накладывать на «спицы» ахирального имидазола."Если вы поместите несколько из этих колец друг на друга, как кучу блинов, центр (« аксель ») спиц удерживает молекулы воды и позволяет им соединяться друг с другом упорядоченным образом, образуя воду. проволока ", — сказал он. «Наши результаты также показали, что водная проволока меняет свою ориентацию при изменении хиральности имидазола, дополнительно подтверждая, что хиральная форма имидазола контролирует поведение воды».
В своем исследовании исследователи использовали искусственные водные каналы, которые они создали из самоорганизующихся структур имидазола внутри липидных бислоев, тонких мембран, которые образуют непрерывный барьер вокруг клеток. Строительные блоки имидазола были синтезированы Барбойю и его группой во Франции. Затем исследовательская группа Белфорта собрала липидные бислои, чтобы они содержали имидазольные структуры.Команда Белфорта использовала кварцевые микровесы (QCM) для измерения сборки и содержания воды.
Исследователи используют QCM для измерения небольших изменений массы вибрирующего кристалла кварца. Затем липиды, содержащие структуры водяной проволоки, были доставлены в Корнелл Мирко Сорчи, научным сотрудником лаборатории Белфорта, для дальнейшего анализа наличия водяной проволоки и ее ориентации с помощью специального прибора, который измеряет водородные связи между молекулами воды, называемые суммой. спектрометр генерации частоты.