El ácido ribonucleico (ARN) juega un papel clave en los procesos bioquímicos que ocurren a nivel celular en un ambiente acuático. Los mecanismos y la dinámica de la interacción entre el ARN y el agua se revelaron ahora mediante espectroscopía vibratoria en escalas de tiempo ultracortas y se analizaron mediante una teoría en profundidad.

El ácido ribonucleico (ARN) representa un componente elemental de las células biológicas. Si bien el ácido desoxirribonucleico (ADN) sirve como portador de información genética, El ARN muestra una funcionalidad bioquímica mucho más compleja. Esto incluye la transmisión de información en forma de ARNm, Función catalítica mediada por ARN en ribosomas, y la codificación de información genética en virus. El ARN consiste en una secuencia de moléculas orgánicas de nucleobase que se mantienen unidas por un llamado esqueleto que consta de grupos fosfato y azúcar. Tal secuencia puede existir como una sola hebra o en una geometría de doble hélice emparejada. Ambas formas están incrustadas en una capa de agua y sus grupos de fosfato y azúcar son puntos de acoplamiento distintos para las moléculas de agua. La estructura de la cáscara de agua fluctúa en una escala de tiempo de unas pocas décimas de picosegundo. Las interacciones del ARN y el agua y su papel en la formación de estructuras de ARN tridimensionales solo se comprenden de manera insuficiente y es difícil acceder a ellas mediante experimentos.

Los científicos del Instituto Max Born ahora han observado la interacción del ARN con su capa de agua en tiempo real. En su nuevo método experimental, Las vibraciones de la columna vertebral del ARN sirven como sondas sensibles no invasivas de la influencia de las moléculas de agua vecinas en la estructura y dinámica del ARN. La llamada espectroscopia infrarroja bidimensional permite mapear la evolución temporal de las excitaciones vibratorias y determinar las interacciones moleculares dentro del ARN y entre el ARN y el agua. Los resultados muestran que las moléculas de agua en la superficie del ARN realizan movimientos de inclinación, las llamadas libraciones, dentro de una fracción de un picosegundo, mientras que su disposición espacial local se conserva durante un intervalo de tiempo superior a 10 ps. Este comportamiento se desvía mucho del agua pura y se rige por las condiciones de frontera estéricas establecidas por la superficie del ARN. Las moléculas de agua individuales conectan los grupos fosfato vecinos y forman una estructura parcialmente ordenada que está mediada por su acoplamiento a las unidades de azúcar.

Las moléculas de agua libradas generan una fuerza eléctrica por la cual las fluctuaciones del agua se transfieren a las vibraciones del ARN. Las diferentes vibraciones de la columna vertebral muestran un comportamiento dinámico diverso que está determinado por su entorno acuático local y refleja su heterogeneidad. Las vibraciones de ARN también se acoplan mutuamente e intercambian energía entre ellas y con la capa de agua. La redistribución ultrarrápida resultante del exceso de energía es esencial para evitar un sobrecalentamiento local de la estructura macromolecular sensible. Este complejo escenario fue analizado mediante cálculos teóricos detallados y simulaciones que, entre otros resultados, permitió la primera identificación completa y cuantitativa de las diferentes vibraciones de la columna vertebral del ARN. Los experimentos comparativos con ADN revelan similitudes y diferencias características entre estas dos biomoléculas elementales, mostrando una disposición de agua más estructurada alrededor del ARN. El estudio destaca el gran potencial de la espectroscopía vibracional no invasiva resuelta en el tiempo para desentrañar la interacción de la estructura y la dinámica en sistemas biomoleculares complejos en escalas de tiempo y longitud molecular.