Kooperativitets rolle i hydrofobe interaktioner afsløret i realtidsovervågning

Hydrofobe interaktioner er en hovedtype af intermolekylær kraft, der spiller en afgørende rolle i mange livsprocesser inden for kemi og fysik. I biologiske systemer, hydrofobe interaktioner kan stabilisere de indre kerner af proteiner og danne lipidvesikler, der lagrer næringsstoffer i vores celler.I proteiner, hydrofobe interaktioner kan stabilisere de indre kerner og danne lipidvesikler, der lagrer næringsstoffer i vores celler. Det, der er så spændende ved hydrofob interaktion, er, at det udviser en samarbejdsegenskab kaldet kooperativitet, som ikke eksisterer i andre fundamentale intermolekylære kræfter, såsom dipol-dipol-interaktioner og Van der Waals-kræfter. Kooperativitet betyder, at i nærværelse af flere molekyler (mindst mere end to), den samlede styrke af interaktionen mellem molekylerne er meget større end når der kun er to molekyler, der virker i par.

Et stort hul i lærebogens viden om hydrofob interaktion og dens kooperativitet, der har dybtgående implikationer i mange fundamentale processer i naturen, er:i hvilken grad kooperativitet bidrager til hydrofobe interaktioner, der stabiliserer samlingen af ​​makromolekyler? En gigantisk vejspærring for at løse dette mangeårige puslespil er den ekstreme vanskelighed med at kvantificere kooperativitet ved eksperimenter, da kooperativitet stammer fra de kollektive bevægelser af vandbrintbindingsnetværk omkring hydrofobe opløste stoffer.

I et gennembrud, videnskabsmænd fra Hong Kong University of Science and Technology overvandt disse udfordringer ved at designe en innovativ mikrofluidisk mixer, der overvåger fluorescensen induceret af hydrofob aggregering. Dette videnskabelige fremskridt tillader ikke kun kvantificeringen af ​​molekylær hydrofob interaktion og dens samarbejdsevne i bulk opløsning, men giver også et klart og kvantitativt bevis for kooperativitetens kritiske rolle i hydrofob aggregering, der konsolideres af deres kinetiske nukleation-vækst teori.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 31. maj, 2017.

"For at kvantificere hydrofobe interaktioner, vi overvågede hydrofobisk aggregering i realtid i bulk-opløsning på mikrosekunders tidsskala, " sagde prof. Xuhui Huang, tilsvarende forfatter til manuskriptet. "For at opnå dette, vi undersøgte fluorescens induceret ved aggregering ved hurtig blanding af vand og hydrofobt opløst stof ved hjælp af den mikrofluidiske enhed. Vi tilpassede derefter den målte fluorescens til kinetikkens nukleation-vækst teori".

"Den avancerede mikrofluidiske enhed giver os mulighed for at spore aggregeringen af ​​det opløste molekyle på meget kort tid, mikrosekunders tidsskalaer på grund af de fine dimensioner af den opløste stråle (ved submikron i diameter) fokuseret af mikrofluidisk strømning. Vores resultater viste, at bindingen af ​​en hydrofob monomer til dens aggregat i vand sker ved sub-mikrosekund." Prof. Shuhuai Yao, den anden tilsvarende forfatter uddybede yderligere.