Bevis for vandledninger motiveret af en biologisk vandkanal

Aquaporiner er proteiner, der fungerer som vandkanaler til at regulere vandstrømmen over biologiske cellemembraner. De fjerner også overskydende salt og urenheder i kroppen, og det er dette aspekt, der i de senere år har ført til stor interesse for, hvordan man efterligner de biokemiske processer af aquaporiner potentielt til vandafsaltningssystemer.

Et internationalt team af forskere, der ledes af Georges Belfort, har opdaget vand, i form af "vandtråde, "indeholdt i et andet molekyle-imidazolen-en nitrogenbaseret organisk forbindelse, der kunne bruges som en potentiel byggesten for kunstige aquaporiner. Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Videnskab fremskridt . Belfort er institutprofessor og professor i kemisk og biologisk teknik ved Rensselaer Polytechnic Institute.

Belforts kollega, Mihail Barboiu, en forskningsleder ved European Membranes Institute (EMI) i Frankrig, har syntetiseret og studeret dynamikken i en ringstruktur af imidazolen indlejret i et understøttet lipid -dobbeltlag (dvs. i en syntetisk model af en biologisk membran, der omgiver en celle). EMI opererer i regi af flere organisationer, herunder Frankrigs nationale center for videnskabelig forskning (forkortet CNRS på fransk).

Røntgenundersøgelser af Barboiu og dynamiske computersimuleringer af CNRS-forsker Marc Baaden viser, at imidazols ringstruktur gør molekylet til en ideel kandidat til at lære om, hvordan kunstige aquaporiner kunne udvikles. I teorien, samlede imidazolmolekyler virker som en aquaporin ved at lade vandmolekyler komme ind og muligvis strømme gennem midten af ​​ringstrukturen, mens andre molekyler holdes ude.

Stadig, der var intet direkte bevis på, at der fandtes vand inde i imidazolvandskanalen. At finde ud af, Barboiu fik hjælp fra Belfort og Poul Petersen, adjunkt i kemi ved Cornell University.

Gennem deres eksperimentelle undersøgelser, Belfort og Petersen har fundet ud af, at der ikke kun findes vand i imidazolvandskanalen, men også at imidazolringkonstruktionen får vandmolekylerne til at samle sig til en meget orienteret lineær kædestruktur-eller hvad forskerne har kaldt "vandtråde".

"For første gang, vi har foretaget en direkte observation af denne unikke vandstruktur inde i en syntetisk vandkanal, der efterligner en aquaporin, "Sagde Belfort.

Belfort og hans kolleger opdagede også, at imidazolmolekylernes chiralitet orienterer vandmolekylerne og kunne øge vandets permeabilitet gennem vandkanalen sammenlignet med achiral (dvs. ikke chirale) imidazolmolekyler, som de også samlede. Chiralitet sker, når et spejlbillede af et objekt ikke er overlejret - f.eks. din venstre og højre hånd.

I tilfælde af imidazolmolekylet, dens chiralitet afhænger af den måde, hvorpå grupperne af atomer i et molekyle er organiseret. Som Belfort forklarede, de chirale imidazolatomer kan ses som eger på et cykelhjul, der ikke kan overlejres på "egerne" af et imidazol, der er achiralt.

"Hvis du placerer flere af disse ringe oven på hinanden som en bunke pandekager, midten ('akslen') af egerne holder vandmolekylerne og gør dem i stand til at forbinde med hinanden på en ordnet måde for at danne en vandtråd, "sagde han." Vores resultater viste også, at vandtråden ændrede retning, når imidazolchiralitet ændres, bekræfter yderligere, at imidazols chirale form styrer, hvordan vandet opfører sig. "

I deres undersøgelse, forskerne brugte kunstige vandkanaler, som de skabte af imidazols selvsamlede strukturer inde i lipid-dobbeltlag, tynde membraner, der danner en kontinuerlig barriere omkring celler. Imidazol -byggestenene blev syntetiseret af Barboiu og hans gruppe i Frankrig. Belforts forskningsgruppe samlede derefter lipid -dobbeltlaget for at indeholde imidazolstrukturer.

Belforts team brugte en kvarts krystal mikrobalance (QCM) til at måle samling og vandindhold. Forskere bruger QCM til at måle små masseændringer på en vibrerende kvartskrystal. Lipiderne indeholdende vandtrådstrukturer blev derefter transporteret til Cornell af Mirco Sorci, en forskningsassistent i Belforts laboratorium, for yderligere at analysere tilstedeværelsen af ​​vandtråden og dens orientering, ved hjælp af et specielt instrument, der måler hydrogenbindinger mellem vandmolekyler kaldet et sumfrekvensgenereringsspektrometer.