L'acqua è la risorsa naturale più abbondante della Terra, ma è anche un mistero a causa delle sue caratteristiche uniche di solvatazione, ovvero come le cose si dissolvono in esso.

"È adattato unicamente alla biologia, e viceversa, " ha detto Poul Petersen, professore assistente di chimica e biologia chimica. "È super flessibile. Dissipa energia e media le interazioni, e questo sta diventando sempre più riconosciuto nei sistemi biologici".

In che modo l'acqua si relaziona e interagisce con questi sistemi, come il DNA, l'elemento costitutivo di tutti gli esseri viventi - è di fondamentale importanza, e il gruppo di Petersen ha utilizzato una forma relativamente nuova di spettroscopia per osservare una caratteristica dell'acqua precedentemente sconosciuta.

"La spina dorsale chirale dell'idratazione del DNA, " pubblicato il 24 maggio sulla rivista dell'American Chemical Society Scienza centrale , riporta la prima osservazione di una sovrastruttura d'acqua chirale che circonda una biomolecola. In questo caso, la struttura dell'acqua segue l'iconica struttura elicoidale del DNA, che di per sé è chirale, il che significa che non è sovrapponibile alla sua immagine speculare. La chiralità è un fattore chiave in biologia, perché la maggior parte delle biomolecole e dei prodotti farmaceutici sono chirali.

"Se vuoi capire la reattività e la biologia, allora non è solo acqua da sola, " ha detto Petersen. "Vuoi capire l'acqua intorno alle cose, e come interagisce con le cose. E in particolare con la biologia, vuoi capire come si comporta intorno al materiale biologico, come proteine ​​e DNA."

L'acqua svolge un ruolo importante nella struttura e nella funzione del DNA, e il suo guscio di idratazione è stato oggetto di molti studi. Le simulazioni di dinamica molecolare hanno mostrato un'ampia gamma di comportamenti della struttura dell'acqua nel solco minore del DNA, l'area in cui le spine dorsali del filamento elicoidale sono vicine tra loro.

Il lavoro del gruppo ha impiegato la spettroscopia di generazione di frequenza a somma chirale (SFG), una tecnica che Petersen ha descritto in un articolo del 2015 nel Giornale di chimica fisica . SFG è un metodo ottico non lineare in cui due fasci di fotoni, uno infrarosso e uno visibile, interagiscono con il campione, producendo un raggio SFG contenente la somma delle frequenze dei due raggi, o energie. In questo caso, il campione era un filamento di DNA collegato a un prisma rivestito di silicio.

Ulteriori manipolazioni dei raggi e calcoli hanno dimostrato l'esistenza di una sovrastruttura d'acqua chirale che circonda il DNA.

Oltre alla novità di osservare un modello di struttura dell'acqua chirale da parte di una biomolecola, chiral SFG fornisce un modo diretto per esaminare l'acqua in biologia.

"Le tecniche che abbiamo sviluppato forniscono una nuova strada per studiare l'idratazione del DNA, così come altre strutture chirali supramolecolari, " ha detto Petersen.

Il gruppo ammette che la rilevanza biologica della loro scoperta non è chiara, ma Petersen pensa che la capacità di esaminare direttamente l'acqua e il suo comportamento all'interno dei sistemi biologici sia importante.

"Certamente, gli ingegneri chimici che stanno progettando sistemi biomimetici e guardando alla biologia e cercando di trovare applicazioni come la filtrazione dell'acqua si preoccuperebbero di questo, " Egli ha detto.

Un'altra applicazione, Petersen ha detto, potrebbe essere nella creazione di migliori materiali anti-biofouling, resistenti all'accumulo di microrganismi, alghe e simili su superfici bagnate.