Le acquaporine sono proteine ​​che fungono da canali d'acqua per regolare il flusso dell'acqua attraverso le membrane cellulari biologiche. Rimuovono anche il sale in eccesso e le impurità nel corpo, ed è questo aspetto che ha portato a molto interesse negli ultimi anni su come imitare i processi biochimici delle acquaporine potenzialmente per i sistemi di desalinizzazione dell'acqua.

Un team internazionale di ricercatori co-guidato da Georges Belfort ha scoperto l'acqua, sotto forma di "fili d'acqua, " contenuto in un'altra molecola, l'imidazolo, un composto organico a base di azoto che potrebbe essere utilizzato come potenziale elemento costitutivo per le acquaporine artificiali. I risultati sono stati recentemente pubblicati su Progressi scientifici . Belfort è professore di istituto e professore di ingegneria chimica e biologica al Rensselaer Polytechnic Institute.

collega di Belfort, Mihail Barboiu, un leader di ricerca presso l'Istituto Europeo di Membrane (EMI) in Francia, ha sintetizzato e studiato la dinamica di una struttura ad anello dell'imidazolo incorporato in un doppio strato lipidico supportato (cioè, in un modello sintetico di una membrana biologica che circonda una cellula). EMI opera sotto gli auspici di diverse organizzazioni, compreso il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (abbreviato CNRS in francese).

Gli studi a raggi X di Barboiu e le simulazioni dinamiche al computer del ricercatore del CNRS Marc Baaden mostrano che la struttura ad anello dell'imidazolo rende la molecola un candidato ideale per conoscere come potrebbero essere sviluppate le acquaporine artificiali. In teoria, le molecole di imidazolo assemblate agiscono come un'acquaporina consentendo alle molecole d'acqua di entrare e possibilmente fluire attraverso il centro della struttura ad anello tenendo fuori altre molecole.

Ancora, non c'era alcuna prova diretta che l'acqua esistesse all'interno del canale dell'imidazolo. Per scoprirlo, Barboiu chiese l'aiuto di Belfort e Poul Petersen, assistente professore di chimica alla Cornell University.

Attraverso i loro studi sperimentali, Belfort e Petersen hanno scoperto che non solo l'acqua esiste nel canale dell'imidazolo, ma ma anche che il costrutto dell'anello imidazolico induce le molecole d'acqua ad autoassemblarsi in una struttura a catena lineare altamente orientata, o ciò che i ricercatori hanno soprannominato "fili d'acqua".

"Per la prima volta, abbiamo fatto un'osservazione diretta di questa struttura d'acqua unica all'interno di un canale d'acqua sintetico che imita un'acquaporina, " ha detto Belfort.

Belfort e i suoi colleghi hanno anche scoperto che la chiralità delle molecole di imidazolo orienta le molecole d'acqua e potrebbe aumentare la permeabilità dell'acqua attraverso il canale dell'acqua rispetto all'achirale (cioè, non chirali) molecole di imidazolo che hanno anche assemblato. La chiralità si verifica quando un'immagine speculare di un oggetto non è sovrapponibile, ad esempio la tua mano destra e sinistra.

Nel caso della molecola di imidazolo, la sua chiralità dipende dal modo in cui sono organizzati i gruppi di atomi in una molecola. Come ha spiegato Belfort, gli atomi di imidazolo chirali possono essere visti come raggi su una ruota di bicicletta che non possono essere sovrapposti ai "raggi" di un imidazolo che è achirale.

"Se metti diversi di questi anelli uno sopra l'altro come una pila di frittelle, il centro (l''axel') dei raggi contiene le molecole d'acqua e consente loro di connettersi tra loro in modo ordinato per formare un filo d'acqua, " ha detto. "I nostri risultati hanno anche mostrato che il filo d'acqua ha cambiato il suo orientamento quando cambia la chiralità dell'imidazolo, confermando ulteriormente che la forma chirale dell'imidazolo controlla il comportamento dell'acqua".

Nel loro studio, i ricercatori hanno utilizzato canali d'acqua artificiali che hanno creato da strutture autoassemblate di imidazolo all'interno di doppi strati lipidici, membrane sottili che formano una barriera continua attorno alle cellule. Gli elementi costitutivi dell'imidazolo sono stati sintetizzati da Barboiu e dal suo gruppo in Francia. Il gruppo di ricerca di Belfort ha quindi assemblato i doppi strati lipidici per contenere le strutture dell'imidazolo.

Il team di Belfort ha utilizzato una microbilancia a cristalli di quarzo (QCM) per misurare l'assemblaggio e il contenuto di acqua. I ricercatori utilizzano il QCM per misurare piccoli cambiamenti di massa su un cristallo di quarzo vibrante. I lipidi contenenti le strutture del filo d'acqua sono stati poi trasportati a Cornell da Mirco Sorci, un ricercatore associato nel laboratorio di Belfort, analizzare ulteriormente la presenza del filo dell'acqua e il suo orientamento, utilizzando uno strumento speciale che misura i legami idrogeno tra le molecole d'acqua chiamato spettrometro a generazione di frequenza somma.