L'acido ribonucleico (RNA) svolge un ruolo chiave nei processi biochimici che avvengono a livello cellulare in un ambiente acquatico. I meccanismi e le dinamiche dell'interazione tra RNA e acqua sono stati ora rivelati dalla spettroscopia vibrazionale su scale temporali ultracorte e analizzati da una teoria approfondita.

L'acido ribonucleico (RNA) rappresenta un costituente elementare delle cellule biologiche. Mentre l'acido desossiribonucleico (DNA) funge da vettore di informazioni genetiche, L'RNA mostra una funzionalità biochimica molto più complessa. Ciò include la trasmissione di informazioni sotto forma di mRNA, Funzione catalitica mediata da RNA nei ribosomi, e la codifica delle informazioni genetiche nei virus. L'RNA è costituito da una sequenza di molecole organiche di basi azotate tenute insieme da un cosiddetto scheletro costituito da gruppi fosfato e zuccheri. Tale sequenza può esistere come un singolo filamento o in una geometria a doppia elica accoppiata. Entrambe le forme sono incorporate in un guscio d'acqua e i loro gruppi fosfato e zucchero sono distinti punti di attracco per le molecole d'acqua. La struttura del guscio d'acqua fluttua su una scala temporale di pochi decimi di picosecondo. Le interazioni di RNA e acqua e il loro ruolo per la formazione di strutture di RNA tridimensionali sono comprese in modo insufficiente e di difficile accesso tramite esperimento.

Gli scienziati del Max Born Institute hanno ora osservato l'interazione dell'RNA con il suo guscio d'acqua in tempo reale. Nel loro nuovo metodo sperimentale, le vibrazioni della spina dorsale dell'RNA servono come sonde non invasive sensibili dell'influenza delle molecole d'acqua vicine sulla struttura e sulla dinamica dell'RNA. La cosiddetta spettroscopia infrarossa bidimensionale consente di mappare l'evoluzione temporale delle eccitazioni vibrazionali e di determinare le interazioni molecolari all'interno dell'RNA e tra l'RNA e l'acqua. I risultati mostrano che le molecole d'acqua sulla superficie dell'RNA eseguono movimenti di ribaltamento, le cosiddette librazioni, entro una frazione di picosecondo mentre la loro disposizione spaziale locale viene preservata per un intervallo di tempo superiore a 10 ps. Questo comportamento si discosta fortemente da quello dell'acqua pulita ed è governato dalle condizioni steriche al contorno stabilite dalla superficie dell'RNA. Le singole molecole d'acqua collegano i gruppi fosfato vicini e formano una struttura parzialmente ordinata che è mediata dal loro accoppiamento alle unità di zucchero.

Le molecole d'acqua librante generano una forza elettrica mediante la quale le fluttuazioni dell'acqua vengono trasferite alle vibrazioni dell'RNA. Le diverse vibrazioni della dorsale mostrano un diverso comportamento dinamico che è determinato dal loro ambiente idrico locale e riflette la sua eterogeneità. Anche le vibrazioni dell'RNA si accoppiano reciprocamente e scambiano energia tra di loro e con il guscio d'acqua. La ridistribuzione ultrarapida risultante dell'energia in eccesso è essenziale per evitare un surriscaldamento locale della struttura macromolecolare sensibile. Questo complesso scenario è stato analizzato da calcoli teorici dettagliati e simulazioni che, tra gli altri risultati, ha permesso la prima identificazione completa e quantitativa delle diverse vibrazioni della spina dorsale dell'RNA. Esperimenti comparativi con il DNA rivelano somiglianze e differenze caratteristiche tra queste due biomolecole elementari, mostrando una disposizione dell'acqua più strutturata intorno all'RNA. Lo studio evidenzia il forte potenziale della spettroscopia vibrazionale risolta nel tempo non invasiva per svelare l'interazione tra struttura e dinamica in sistemi biomolecolari complessi su lunghezze molecolari e scale temporali.