I chimici della Ruhr-Universität Bochum hanno sviluppato un nuovo metodo che consente loro di mappare i cambiamenti nella dinamica e nella struttura delle molecole d'acqua in prossimità dei soluti. Con questa tecnica, chiamata calorimetria terahertz, hanno studiato le proprietà del guscio di idratazione delle molecole di alcol disciolto. Nel futuro, vogliono anche utilizzare il metodo per la mappatura dell'acqua attorno a sistemi più complessi come enzimi, che può essere importante per la progettazione di farmaci.

I risultati sono stati pubblicati dalla Prof Dr Martina Havenith, cattedra di Chimica Fisica II e portavoce del cluster di eccellenza Resolv, con il dottor Fabian Böhm e il dottor Gerhard Schwaab nella rivista Angewandte Chemie .

Il metodo ora può essere applicato in tempo reale

Processi biologici fondamentali come la catalisi enzimatica o il legame molecolare avvengono in fase acquosa. La calorimetria funge da potente strumento biofisico per studiare il riconoscimento molecolare e la stabilità dei sistemi biomolecolari misurando i cambiamenti nelle variabili di stato termodinamico, per esempio. al ripiegamento o associazione delle proteine, allo scopo di derivare il trasferimento di calore associato a tali modifiche. La calorimetria determina, entalpia ed entropia, che sono misure del trasferimento di calore e del disordine nel sistema.

La calorimetria è limitata a tempi da 1 a 100 secondi. In contrasto, processi spettroscopici, che si basano su brevi impulsi laser, sono in grado di eseguire misurazioni sulla scala temporale di un milionesimo o un miliardesimo di secondo. I chimici di Bochum hanno dimostrato che entrambi gli approcci sono complementari.

"Stabilendo un calorimetro terahertz in un esperimento di dimostrazione del concetto, abbiamo raggiunto il primo obiettivo su cui stavamo lavorando utilizzando i fondi Advanced Grant del Consiglio Europeo della Ricerca, " spiega Martina Havenith.

Determinazione della struttura degli involucri acquosi

Un guscio di molecole d'acqua circostanti, il guscio di idratazione, si forma intorno a qualsiasi molecola disciolta. Il soluto influenza la rete regolare di ponti di idrogeno tra le molecole d'acqua, facendo sì che l'acqua nel guscio di idratazione si comporti in modo diverso dall'acqua libera. La struttura del guscio di idratazione dipende dalla forma e dalla composizione chimica della molecola disciolta.

Il team di Havenith ha studiato il guscio di idratazione di cinque diverse catene alcoliche ed è stato in grado di classificare l'acqua di idratazione diversamente strutturata mediante calorimetria terahertz. L'esposizione a impulsi terahertz fornisce impronte digitali delle vibrazioni all'interno della rete idrica. Questo, a sua volta, permette ai ricercatori di dedurre grandezze fondamentali come l'entropia e l'entalpia.

"Il metodo ci consente per la prima volta di mappare spettroscopicamente l'entropia e l'entalpia attorno ai soluti, che sono parametri cruciali per caratterizzare il riconoscimento molecolare, " riassume Havenith.