Một nghiên cứu mới của các nhà khoa học đến từ Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) và Đại học Constructor (Bremen, Đức) đã hé lộ một vai trò hoàn toàn mới của nước trong thế giới vi mô: khi bị giam giữ trong các không gian phân tử siêu nhỏ, nước không còn “thụ động” như lâu nay vẫn nghĩ, mà trở thành một tác nhân giàu năng lượng, có khả năng thúc đẩy mạnh mẽ sự hình thành liên kết giữa các phân tử. Phát hiện này không chỉ góp phần làm rõ những cơ chế nền tảng của hóa học và sinh học phân tử, mà còn mở ra các hướng ứng dụng quan trọng trong thiết kế thuốc và phát triển vật liệu tiên tiến.

Ảnh nguồn: scitechdaily.com

Trong tự nhiên, không phải toàn bộ nước đều tồn tại ở dạng tự do. Một phần đáng kể bị “mắc kẹt” trong các khoang vi mô, chẳng hạn như vị trí liên kết của protein, các thụ thể sinh học, hay các cấu trúc phân tử tổng hợp. Trước đây, giới khoa học vẫn tranh luận liệu nước trong những khoang hẹp này chỉ đơn thuần là môi trường nền, hay thực sự tham gia và chi phối các tương tác phân tử. Nghiên cứu mới đã cung cấp câu trả lời rõ ràng: nước bị giam giữ mang trạng thái năng lượng cao hơn nước thông thường và đóng vai trò chủ động trong việc tăng cường lực liên kết.

Theo nhóm nghiên cứu, trong không gian chật hẹp, các phân tử nước không thể sắp xếp và tương tác với nhau theo cách “thoải mái” như trong môi trường tự do. Điều này khiến chúng rơi vào trạng thái được gọi là “giàu năng lượng”. Khi một phân tử khác tiến vào khoang, các phân tử nước này có xu hướng nhanh chóng bị đẩy ra ngoài, giải phóng năng lượng tích trữ. Chính năng lượng được giải phóng này góp phần làm cho liên kết giữa phân tử mới và khoang liên kết trở nên bền chặt hơn. Các nhà khoa học ví hiện tượng này như những người bị chen chúc trong thang máy đông đúc: ngay khi cửa mở, họ lập tức bước ra ngoài để giải tỏa sự “ức chế” về không gian.

Để nghiên cứu hiện tượng này một cách định lượng, nhóm khoa học đã sử dụng cucurbit[8]uril – một phân tử “chủ” có cấu trúc đối xứng cao, thường được dùng làm mô hình chuẩn trong hóa học siêu phân tử. Thông qua các thí nghiệm đo nhiệt lượng chính xác cao kết hợp với mô phỏng máy tính, nhóm đã xác định được mức độ đóng góp của nước giàu năng lượng vào lực liên kết giữa phân tử “khách” và phân tử “chủ”. Kết quả cho thấy: nước trong khoang càng được kích hoạt mạnh về mặt năng lượng thì khi bị thay thế, nó càng làm gia tăng đáng kể độ bền của liên kết mới hình thành.

Ý nghĩa của phát hiện này vượt xa phạm vi một hệ mô hình đơn lẻ. Các nhà nghiên cứu cho rằng cùng một cơ chế có thể đang hoạt động trong nhiều hệ sinh học phức tạp, bao gồm cả các protein và kháng thể tự nhiên. Đáng chú ý, hiệu quả liên kết cao của một số kháng thể – chẳng hạn kháng thể chống lại SARS-CoV-2 – có thể một phần bắt nguồn từ cách chúng điều phối việc “đưa vào – đẩy ra” các phân tử nước giàu năng lượng trong các khoang liên kết.

Về mặt ứng dụng, nghiên cứu mang lại triển vọng lớn cho lĩnh vực thiết kế thuốc. Nếu xác định được các vị trí chứa nước giàu năng lượng trong protein mục tiêu, các nhà khoa học có thể thiết kế các phân tử thuốc sao cho chúng chủ động thay thế nước tại những vị trí này, tận dụng năng lượng giải phóng để tăng độ bám và nâng cao hiệu quả điều trị. Trong khoa học vật liệu, việc tạo ra các cấu trúc có khả năng kiểm soát và loại bỏ nước giàu năng lượng cũng có thể cải thiện khả năng cảm biến, lưu trữ hoặc nhận biết phân tử.

Có thể nói, nghiên cứu này đã thay đổi cách nhìn truyền thống về vai trò của nước ở cấp độ phân tử: từ một “khán giả thầm lặng” trở thành một động lực trung tâm chi phối các tương tác hóa học và sinh học. Việc hiểu rõ hơn về nước giàu năng lượng không chỉ giúp giải mã các quá trình tự nhiên tinh vi, mà còn mở ra cơ hội khai thác hiện tượng này cho các công nghệ của tương lai.

https://scitechdaily.com (nttvy)