Hyaluronsyra, även känd som hyaluronan, är en polysackarid som hjälper till att fastställa viskositeten hos kroppsvätskor. Enligt en ny studie av EPFL-forskare, det påverkar också beteendet hos mycket fler vattenmolekyler än man tidigare trott. Deras resultat - precis publicerade i Vetenskapens framsteg —öppna nya vägar för forskning om den roll vatten spelar i människokroppen.

Även om vatten länge har varit känt som en avgörande komponent i biologiska system, det är först nyligen som forskare börjar upptäcka de invecklade sätten på vilka det driver struktureringen av biologiska föreningar som proteiner, membran, DNA och sockerarter Det är också fallet för hyaluronan, en polysackarid som finns runt celler och i delar av vår kropp där smörjning och viskositet är viktiga, som i våra leder. Hyaluronan är en nyckelbestämmande för strukturen hos de vattenhaltiga vätskorna i dessa områden. Med hjälp av en ny metod utvecklad i deras labb, LBP-forskarna fann att hyaluronan påverkar orienteringen av många fler vattenmolekyler än vad man tidigare trott. Deras forskning, dyker upp i Vetenskapens framsteg , markerar ett genombrott i hur forskare uppfattar vattnets roll i biologin.

Ett nytt sätt att förstå hydrering

LBP-forskarna undersökte på nanoskala för att bättre förstå hur hyaluronan interagerar med vatten. Hyaluronanmolekyler innehåller många anjoner, eller negativt laddade joner, medan vattenmolekylerna (H2O) är neutrala men positivt laddade i ena änden och negativt laddade i andra änden. Denna laddningsfördelning orienterar vattenmolekylerna när de "ser" den negativa laddningen av hyaluronan. Tidigare, laddningar troddes påverka vatten över ett avstånd av 3 vattenmolekyler, involverar endast denna interaktion. Dock, använder sin nya metod, LBP-forskarna fann att inflytandet faktiskt sträcker sig upp till 1, 600 vattenmolekyler. De upptäckte också en andra mekanism som orienterar vatten, nämligen att anjonernas elektrostatiska fält ändrar något sättet på vilket vattenmolekyler ansluter till varandra. Denna mekanism spelar också in i hyaluronanlösningar. Denna banbrytande upptäckt kan utmana konventionella sätt att tänka om vatten och hur det interagerar med komplexa molekyler. Hyaluronan är känt för sina viskositetshöjande egenskaper, som alltid har ansetts uppstå endast från interaktioner mellan hyaluronanmolekylerna. Dock, Detta arbete visar att vatten och hur det påverkas också spelar en viktig roll.

Testa orienteringen av vattenmolekyler

Hyaluronan orienterar vattenmolekyler genom att förbättra vatten-vattenkorrelationerna. Den fungerar som en "flexibel kedja omgiven av utsträckta skal av orienterande korrelerat vatten, som fluktuerar beroende på hyaluronanmolekylens rörelser, säger Sylvie Roke, chef för LBP. Hennes team av forskare mätte de rumsliga korrelationerna över nanoskopiska längdskalor.

Deras metod skiljer sig från standardtekniker, såsom ljusspridning, som mäter variationer i hyaluronan snarare än vattenmolekyler. Vad mer, befintliga tekniker är inte tillräckligt känsliga för att fungera i mycket låga koncentrationer. LBP-metoden, kallas femtosekund elastisk andra-harmonisk spridning, erbjuder 1000 gånger högre känslighet, gör det möjligt att mäta de små strukturella korrelationerna som är resultatet av förändringarna i vattenstrukturen. Att belysa en lösning med en femtosekund nära infraröd laserpuls resulterar i generering av fotoner som har den dubbla energin av de inkommande fotonerna. Sådana andra harmoniska fotoner kan endast genereras från områden i vätskan som har en bruten symmetri jämfört med den isotropa strukturen hos den rena bulkvätskan. De rapporterar därför på ett mycket känsligt sätt om strukturella skillnader. I motsats till vanliga ljusspridningsmetoder emitteras samma färgfotoner från varje molekyl så att strukturella skillnader endast kan detekteras genom att göra en skillnadsmätning. Detta resulterar i 1000 x högre känslighet, samt — i detta fall — känsligheten för vatten.

Roke förklarar:"Förmågan att observera hur vattenöverbyggnader förändras som svar på molekyler som hyaluronan öppnar ett helt nytt forskningsfält. Vår metod skulle kunna användas i kombination med andra, icke-linjära optiska tillvägagångssätt för att bättre undersöka komplexiteten hos vattenhaltiga system, som vi just nu börjar upptäcka."