Las acuaporinas son proteínas que sirven como canales de agua para regular el flujo de agua a través de las membranas celulares biológicas. También eliminan el exceso de sal e impurezas en el cuerpo, y es este aspecto el que ha despertado mucho interés en los últimos años en cómo imitar los procesos bioquímicos de las acuaporinas potencialmente para los sistemas de desalinización de agua.

Un equipo internacional de investigadores codirigido por Georges Belfort ha descubierto el agua, en forma de "cables de agua, "contenido en otra molécula, el imidazol, un compuesto orgánico a base de nitrógeno que podría usarse como un componente potencial para las acuaporinas artificiales. Los hallazgos se publicaron recientemente en Avances de la ciencia . Belfort es profesor de instituto y profesor de ingeniería química y biológica en el Instituto Politécnico Rensselaer.

Colega de Belfort, Mihail Barboiu, líder de investigación en el Instituto Europeo de Membranas (EMI) en Francia, ha sintetizado y estudiado la dinámica de una estructura de anillo del imidazol incrustado en una bicapa lipídica soportada (es decir, en un modelo sintético de una membrana biológica que rodea una célula). EMI opera bajo los auspicios de varias organizaciones, incluido el Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia (abreviado CNRS en francés).

Los estudios de rayos X realizados por Barboiu y las simulaciones dinámicas por computadora realizadas por el investigador del CNRS Marc Baaden muestran que la estructura del anillo del imidazol hace que la molécula sea un candidato ideal para aprender cómo se podrían desarrollar las acuaporinas artificiales. En teoria, Las moléculas de imidazol ensambladas actúan como una acuaporina al permitir que las moléculas de agua entren y posiblemente fluyan a través del centro de la estructura del anillo mientras mantienen fuera a otras moléculas.

Todavía, no hubo prueba directa de que existiera agua dentro del canal de agua de imidazol. Descubrir, Barboiu contó con la ayuda de Belfort y Poul Petersen, profesor asistente de química en la Universidad de Cornell.

A través de sus estudios experimentales, Belfort y Petersen han descubierto que no solo existe agua en el canal de agua de imidazol, pero también que la construcción del anillo de imidazol induce a las moléculas de agua a autoensamblarse en una estructura de cadena lineal altamente orientada, o lo que los investigadores han denominado "cables de agua".

"Por primera vez, hemos realizado una observación directa de esta estructura de agua única dentro de un canal de agua sintético que imita una acuaporina, "Dijo Belfort.

Belfort y sus colegas también descubrieron que la quiralidad de las moléculas de imidazol orienta las moléculas de agua y podría aumentar la permeabilidad del agua a través del canal de agua en comparación con aquiral (es decir, no quirales) moléculas de imidazol que también ensamblaron. La quiralidad ocurre cuando una imagen especular de un objeto no se puede superponer, por ejemplo, su mano izquierda y derecha.

En el caso de la molécula de imidazol, su quiralidad depende de la forma en que se organizan los grupos de átomos de una molécula. Como explicó Belfort, los átomos quirales de imidazol pueden verse como radios en una rueda de bicicleta que no pueden superponerse a los "radios" de un imidazol que es aquiral.

"Si colocas varios de estos anillos uno encima del otro como una pila de panqueques, el centro (el 'eje') de los radios contiene las moléculas de agua y les permite conectarse entre sí de forma ordenada para formar un cable de agua, ", dijo." Nuestros resultados también mostraron que el cable de agua cambia su orientación cuando cambia la quiralidad del imidazol, confirmando además que la forma quiral del imidazol controla cómo se comporta el agua ".

En su estudio, Los investigadores utilizaron canales de agua artificiales que crearon a partir de estructuras autoensambladas de imidazol dentro de las bicapas lipídicas. membranas delgadas que forman una barrera continua alrededor de las células. Los bloques de construcción de imidazol fueron sintetizados por Barboiu y su grupo en Francia. El grupo de investigación de Belfort luego ensambló las bicapas lipídicas para contener las estructuras de imidazol.

El equipo de Belfort utilizó una microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) para medir el ensamblaje y el contenido de agua. Los investigadores utilizan QCM para medir pequeños cambios de masa en un cristal de cuarzo vibrante. Los lípidos que contienen las estructuras de cables de agua fueron luego llevados a Cornell por Mirco Sorci, un investigador asociado en el laboratorio de Belfort, para analizar más a fondo la presencia del cable de agua y su orientación, utilizando un instrumento especial que mide los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua llamado espectrómetro de generación de frecuencia de suma.