L'eau est la ressource naturelle la plus abondante de la planète, mais c'est aussi quelque chose d'un mystère en raison de ses caractéristiques de solvatation uniques - c'est-à-dire, comment les choses s'y dissolvent.

"Il est particulièrement adapté à la biologie, et vice versa, " dit Poul Petersen, professeur adjoint de chimie et de biologie chimique. "C'est super flexible. Il dissipe l'énergie et négocie les interactions, et cela est de plus en plus reconnu dans les systèmes biologiques."

Comment l'eau se rapporte et interagit avec ces systèmes - comme l'ADN, la pierre angulaire de tous les êtres vivants - est d'une importance cruciale, et le groupe de Petersen a utilisé une forme relativement nouvelle de spectroscopie pour observer une caractéristique jusque-là inconnue de l'eau.

"L'épine chirale d'hydratation de l'ADN, " publié le 24 mai dans la revue American Chemical Society Science centrale , rapporte la première observation d'une superstructure d'eau chirale entourant une biomolécule. Dans ce cas, la structure de l'eau suit la structure hélicoïdale emblématique de l'ADN, qui est lui-même chiral, ce qui signifie qu'il n'est pas superposable à son image miroir. La chiralité est un facteur clé en biologie, car la plupart des biomolécules et des produits pharmaceutiques sont chiraux.

« Si vous voulez comprendre la réactivité et la biologie, alors ce n'est pas que de l'eau toute seule, " Petersen a dit. " Vous voulez comprendre l'eau autour de choses, et comment il interagit avec les choses. Et particulièrement avec la biologie, vous voulez comprendre comment il se comporte autour du matériel biologique, comme les protéines et l'ADN."

L'eau joue un rôle majeur dans la structure et la fonction de l'ADN, et sa coquille d'hydratation a fait l'objet de nombreuses études. Des simulations de dynamique moléculaire ont montré un large éventail de comportements de la structure de l'eau dans le petit sillon de l'ADN, la zone où les épines dorsales du brin hélicoïdal sont rapprochées.

Le travail du groupe a utilisé la spectroscopie de génération de fréquence de somme chirale (SFG), une technique Petersen détaillée dans un article de 2015 dans le Journal de chimie physique . SFG est une méthode optique non linéaire dans laquelle deux faisceaux de photons - un infrarouge et un visible - interagissent avec l'échantillon, produire un faisceau SFG contenant la somme des fréquences des deux faisceaux, ou énergies. Dans ce cas, l'échantillon était un brin d'ADN lié à un prisme recouvert de silicium.

Davantage de manipulations des faisceaux et de calculs ont prouvé l'existence d'une superstructure d'eau chirale entourant l'ADN.

En plus de la nouveauté d'observer un modèle chiral de structure d'eau par une biomolécule, chiral SFG fournit un moyen direct d'examiner l'eau en biologie.

« Les techniques que nous avons développées offrent une nouvelle voie pour étudier l'hydratation de l'ADN, ainsi que d'autres structures chirales supramoléculaires, " a déclaré Petersen.

Le groupe admet que la pertinence biologique de leur découverte n'est pas claire, mais Petersen pense que la capacité d'examiner directement l'eau et son comportement dans les systèmes biologiques est importante.

"Certainement, les ingénieurs chimistes qui conçoivent des systèmes biomimétiques et étudient la biologie et essaient de trouver des applications telles que la filtration de l'eau s'en préoccuperaient, " il a dit.

Une autre candidature, Petersen a dit, pourrait être dans la création de meilleurs matériaux anti-encrassement biologique, qui résistent à l'accumulation de micro-organismes, algues et similaires sur les surfaces mouillées.