Vatten är jordens mest förekommande naturresurs, men det är också något av ett mysterium på grund av dess unika lösningsegenskaper – dvs. hur saker löses upp i den.

"Det är unikt anpassat till biologi, och vice versa, sa Poul Petersen, biträdande professor i kemi och kemisk biologi. "Det är supersmidigt. Det sprider energi och förmedlar interaktioner, och det blir mer erkänt i biologiska system."

Hur vatten relaterar till och interagerar med dessa system – som DNA, byggstenen för allt levande – är av avgörande betydelse, och Petersens grupp har använt en relativt ny form av spektroskopi för att observera en tidigare okänd egenskap hos vatten.

"DNA:s kirala ryggrad för hydrering, " publicerades den 24 maj i tidskriften American Chemical Society Central Vetenskap , rapporterar den första observationen av en kiral vattenöverbyggnad som omger en biomolekyl. I detta fall, vattenstrukturen följer den ikoniska spiralformade strukturen av DNA, som i sig är kiral, vilket betyder att den inte kan läggas ovanpå sin spegelbild. Kiralitet är en nyckelfaktor i biologi, eftersom de flesta biomolekyler och läkemedel är kirala.

"Om du vill förstå reaktivitet och biologi, då är det inte bara vatten i sig, " sa Petersen. "Du vill förstå vatten runt saker, och hur det interagerar med grejerna. Och särskilt med biologi, du vill förstå hur det beter sig runt biologiskt material - som protein och DNA."

Vatten spelar en stor roll i DNA:s struktur och funktion, och dess hydratiseringsskal har varit föremål för mycket studier. Molekylär dynamiksimuleringar har visat ett brett spektrum av beteenden hos vattenstrukturen i DNA:s mindre spår, området där ryggraden i den spiralformade strängen är nära varandra.

Gruppens arbete använde kiral summafrekvensgenereringsspektroskopi (SFG), en teknik som Petersen beskrev i ett papper från 2015 i Journal of Physical Chemistry . SFG är en olinjär optisk metod där två fotonstrålar – en infraröd och en synlig – interagerar med provet, producera en SFG-stråle som innehåller summan av de två strålarnas frekvenser, eller energier. I detta fall, provet var en DNA-sträng kopplad till ett kiselbelagt prisma.

Mer manipulation av strålarna och beräkningar bevisade förekomsten av en kiral vattenöverbyggnad som omger DNA.

Förutom det nya med att observera en kiral vattenstrukturmall av en biomolekyl, chiral SFG ger ett direkt sätt att undersöka vatten i biologi.

"Teknikerna vi har utvecklat ger en ny väg att studera DNA-hydrering, såväl som andra supramolekylära kirala strukturer, sa Petersen.

Gruppen medger att deras fynds biologiska relevans är oklart, men Petersen tycker att förmågan att direkt undersöka vatten och dess beteende inom biologiska system är viktig.

"Säkert, kemiingenjörer som designar biomimetiska system och tittar på biologi och försöker hitta applikationer som vattenfiltrering skulle bry sig om detta, " han sa.

En annan applikation, Petersen sa, kan vara i att skapa bättre anti-biopåväxtmaterial, som är resistenta mot ansamling av mikroorganismer, alger och liknande på blöta ytor.