숨겨진 고에너지 물이 새로운 분자력을 드러낸다

지구 물의 일부는 단백질 결합 부위나 합성 수용체에서 발견되는 분자 공동을 포함하여 매우 작은 공간에 존재합니다. 과학자들은 이렇게 제한된 지역의 물이 단순히 수동적인 방관자 역할을 하는지, 아니면 분자 상호 작용에 영향을 미치는지에 대해 오랫동안 논쟁을 벌여 왔습니다. KIT 나노기술 연구소의 Frank Biedermann 박사는 “보통 물 분자는 서로 가장 강하게 상호 작용합니다. 그러나 실험에서 얻은 데이터에 따르면 물은 이러한 좁은 구멍에서 비정상적으로 거동하는 것으로 나타났습니다.”라고 말했습니다. “우리는 이제 이러한 관찰의 이론적 기초를 제공할 수 있으며 분자 공동의 물이 에너지적으로 활성화된다는 것을 증명할 수 있습니다.”

“고에너지” 물이 중요한 이유

팀은 이 특이한 상태를 “매우 활력이 넘친다”고 설명합니다. 이는 갇힌 물이 빛나거나 거품이 나는 것을 의미하지 않습니다. 대신 일반 물보다 더 많은 에너지를 보유합니다. 간단한 비유는 사람들이 붐비는 엘리베이터에 꽉 들어차 있다는 것입니다. 문이 열리는 순간 그들은 서둘러 탈출합니다. 마찬가지로, 다른 분자가 도착하면 고에너지 물이 공동 밖으로 튀어나와 들어오는 분자가 열린 위치를 갖게 됩니다. 이러한 물의 방출은 새로운 물질과 분자 공동 사이의 결합을 강화하는 데 도움이 됩니다.

분자가 얼마나 강하게 결합할지 예측

이 효과를 조사하기 위해 연구자들은 쿠커비트(8)uril을 모델 “호스트” 분자로 사용했습니다. 이 구조는 “게스트” 분자를 보유할 수 있으며 높은 대칭성으로 인해 복잡한 단백질보다 연구하기가 훨씬 쉽습니다. 브레멘 컨스트럭터 대학교(Constructor University)의 베르너 나우(Werner Nau) 교수는 “게스트 분자에 따라 컴퓨터 모델을 통해 고에너지 물이 얼마나 더 많은 결합력을 생성하는지 계산할 수 있었습니다.”라고 설명합니다. “우리는 물이 더 에너지적으로 활성화될수록 그것이 대체될 때 게스트 분자와 호스트 사이의 결합을 더 잘 촉진한다는 것을 발견했습니다.”

Biedermann은 계속해서 다음과 같이 말합니다. “얻은 데이터는 고에너지 물 분자의 개념이 물리적으로 확립되어 있으며 바로 그 물 분자가 분자 결합 형성 중 중심 원동력이라는 것을 분명히 보여줍니다. 예를 들어 SARS-CoV-2에 대한 천연 항체라도 부분적으로 물 분자를 결합 구멍 안팎으로 운반하는 방식에 따라 효과가 있을 수 있습니다.”

의학 및 재료 과학의 잠재적 응용

이러한 발견은 약물 개발 및 첨단 재료에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 약물 설계에서 표적 단백질 내부의 고에너지 물을 식별하면 화학자가 의도적으로 이 물을 밀어내고 에너지 기여를 활용하며 단백질에 더욱 강력하게 고정되어 궁극적으로 약물 효과를 향상시키는 분자를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 재료 연구에서 그러한 물을 밀어내거나 대체하는 공동을 만들면 저장 능력이 향상된 더 나은 센서나 재료를 만들 수 있습니다.

결론에 도달하기 위해 연구팀은 분자 상호 작용 중 열 변화를 측정하는 데 사용되는 기술인 고정밀 열량계를 샌디에이고 캘리포니아 대학의 Jeffry Setiadi 박사와 Michael K. Gilson 교수가 개발한 컴퓨터 모델과 결합했습니다.