Des chimistes de la Ruhr-Universität Bochum ont développé une nouvelle méthode qui leur permet de cartographier les changements dans la dynamique et la structure des molécules d'eau à proximité des solutés. Avec cette technique, appelée calorimétrie térahertz, ils ont étudié les propriétés de l'enveloppe d'hydratation des molécules d'alcool dissoutes. À l'avenir, ils souhaitent également utiliser la méthode de cartographie de l'eau autour de systèmes plus complexes tels que les enzymes, ce qui peut être important pour la conception de médicaments.

Les résultats ont été publiés par le Prof Dr Martina Havenith, chaire de Chimie Physique II et porte-parole du pôle d'excellence Resolv, avec le Dr Fabian Böhm et le Dr Gerhard Schwaab dans la revue Angewandte Chemie .

La méthode peut maintenant être appliquée en temps réel

Des processus biologiques fondamentaux tels que la catalyse enzymatique ou la liaison moléculaire se produisent en phase aqueuse. La calorimétrie sert d'outil biophysique puissant pour étudier la reconnaissance moléculaire et la stabilité des systèmes biomoléculaires en mesurant les changements dans les variables d'état thermodynamiques, par exemple. lors du repliement ou de l'association des protéines, dans le but de déduire le transfert de chaleur associé à ces changements. La calorimétrie détermine, enthalpie et entropie, qui sont des mesures du transfert de chaleur et du désordre dans le système.

La calorimétrie est limitée à des échelles de temps de 1 à 100 secondes. En revanche, procédés spectroscopiques, qui sont basés sur de courtes impulsions laser, sont capables d'effectuer des mesures à l'échelle de temps d'un millionième ou d'un milliardième de seconde. Les chimistes de Bochum ont montré que les deux approches sont complémentaires.

"En établissant un calorimètre térahertz dans une expérience de preuve de concept, nous avons atteint le premier objectif sur lequel nous travaillions en utilisant les fonds Advanced Grant du Conseil européen de la recherche, " explique Martina Havenith.

Détermination de la structure des enveloppes aqueuses

Une coquille de molécules d'eau environnantes, la coque d'hydratation, se forme autour de toute molécule dissoute. Le soluté affecte le réseau régulier de ponts hydrogène entre les molécules d'eau, provoquant un comportement différent de l'eau dans la coque d'hydratation par rapport à l'eau libre. La structure de la coque d'hydratation dépend de la forme et de la composition chimique de la molécule dissoute.

L'équipe de Havenith a étudié l'enveloppe d'hydratation de cinq chaînes d'alcool différentes et a pu classer l'eau d'hydratation différemment structurée par calorimétrie térahertz. L'exposition aux impulsions térahertz fournit des empreintes digitales des vibrations au sein du réseau d'eau. Cette, à son tour, permet aux chercheurs de déduire des grandeurs fondamentales telles que l'entropie et l'enthalpie.

"La méthode nous permet pour la première fois de cartographier spectroscopiquement l'entropie et l'enthalpie autour des solutés, qui sont des paramètres cruciaux pour caractériser la reconnaissance moléculaire, " résume Havenith.