Akvaporiner är proteiner som fungerar som vattenkanaler för att reglera flödet av vatten över biologiska cellmembran. De tar också bort överflödigt salt och föroreningar i kroppen, och det är denna aspekt som har lett till ett stort intresse under de senaste åren för hur man kan efterlikna de biokemiska processerna för aquaporiner, potentiellt för vattenavsaltningssystem.

Ett internationellt team av forskare som leds av Georges Belfort har upptäckt vatten, i form av "vattentrådar, " som finns i en annan molekyl - imidazolen - en kvävebaserad organisk förening som kan användas som en potentiell byggsten för artificiella aquaporiner. Fynden publicerades nyligen i Vetenskapens framsteg . Belfort är institutsprofessor och professor i kemi- och biologisk teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute.

Belforts kollega, Mihail Barboiu, en forskningsledare vid European Membranes Institute (EMI) i Frankrike, har syntetiserat och studerat dynamiken i en ringstruktur av imidazolen inbäddad i ett understödd lipiddubbelskikt (d.v.s. i en syntetisk modell av ett biologiskt membran som omger en cell). EMI verkar under överinseende av flera organisationer, inklusive Frankrikes National Centre for Scientific Research (förkortat CNRS på franska).

Röntgenstudier av Barboiu och dynamiska datorsimuleringar av CNRS-forskaren Marc Baaden visar att imidazolens ringstruktur gör molekylen till en idealisk kandidat för att lära sig om hur artificiella akvaporiner kan utvecklas. I teorin, sammansatta imidazolmolekyler fungerar som ett aquaporin genom att tillåta vattenmolekyler att komma in och eventuellt strömma genom mitten av ringstrukturen samtidigt som andra molekyler hålls ute.

Fortfarande, det fanns inga direkta bevis för att vatten fanns inuti imidazolvattenkanalen. Att få reda på, Barboiu tog hjälp av Belfort och Poul Petersen, biträdande professor i kemi vid Cornell University.

Genom sina experimentella studier, Belfort och Petersen har funnit att det inte bara finns vatten i imidazolvattenkanalen, men också att imidazolringens konstruktion inducerar vattenmolekylerna att själva montera ihop till en mycket orienterad linjär kedjestruktur – eller vad forskarna har kallat "vattentrådar".

"För första gången, vi har gjort en direkt observation av denna unika vattenstruktur inuti en syntetisk vattenkanal som efterliknar en aquaporin, sa Belfort.

Belfort och hans kollegor upptäckte också att kiraliteten hos imidazolmolekylerna orienterar vattenmolekylerna och kan öka vattengenomsläppligheten genom vattenkanalen jämfört med achiral (dvs. inte kirala) imidazolmolekyler som de också satt ihop. Chiralitet uppstår när en spegelbild av ett objekt inte kan läggas ovanpå — till exempel, din vänstra och högra hand.

När det gäller imidazolmolekylen, dess kiralitet beror på hur grupperna av atomer i en molekyl är organiserade. Som Belfort förklarade, de kirala imidazolatomerna kan ses som ekrar på ett cykelhjul som inte kan läggas ovanpå "ekrarna" på en imidazol som är akiral.

"Om du lägger flera av dessa ringar ovanpå varandra som en hög med pannkakor, mitten ('axeln') på ekrarna håller vattenmolekylerna och gör det möjligt för dem att ansluta till varandra på ett ordnat sätt för att bilda en vattentråd, " sa han. "Våra resultat visade också att vattentråden ändrade sin orientering när imidazolkiraliteten ändras, vilket ytterligare bekräftar att imidazolens kirala form styr hur vattnet beter sig."

I deras studie, forskarna använde konstgjorda vattenkanaler som de skapade från imidazol självmonterade strukturer inuti lipiddubbelskikt, tunna membran som bildar en kontinuerlig barriär runt celler. Imidazolbyggstenarna syntetiserades av Barboiu och hans grupp i Frankrike. Belforts forskargrupp satte sedan ihop lipiddubbelskikten för att innehålla imidazolstrukturerna.

Belforts team använde en kvartskristallmikrobalans (QCM) för att mäta sammansättningen och vatteninnehållet. Forskare använder QCM för att mäta små massaförändringar på en vibrerande kvartskristall. Lipiderna som innehåller vattentrådsstrukturerna fördes sedan till Cornell av Mirco Sorci, en forskarassistent i Belforts labb, för att ytterligare analysera närvaron av vattentråden och dess orientering, med hjälp av ett speciellt instrument som mäter vätebindningar mellan vattenmolekyler som kallas en summafrekvensgenereringsspektrometer.