Страх перед водой может показаться людям иррациональным препятствием, но на молекулярном уровне он придает порядок миру.
Некоторые вещества, особенно жирные, жирные, являются гидрофобными. У них нет влечения к воде, и они, по сути, отталкиваются от нее.
Объедините гидрофобные части в молекулу с частями, которые вместо этого притягиваются к воде, и стороны берутся. Появляется структура, как в мембранах, окружающих живые клетки.
«Эти мембраны образованы молекулами, которые в основном жирные и собираются вместе, чтобы избежать взаимодействия с водой», - говорит Сэм Геллман, профессор химии Университета Висконсин-Мэдисон.«Гидрофильные части смотрят в одном направлении - к воде, а гидрофобные - в другом, и в результате получается молекулярная организация, образующая стенку».
А вместе с ней и все, что требует защиты стены.
«Возможно, это одно из самых важных взаимодействий между молекулами, потому что оно происходит в воде, где происходит биология и множество технологий», - говорит Николас Эбботт, профессор химической и биологической инженерии Университета Вашингтона в Мэдисоне.
Эбботт, Геллман и группа исследователей из Университета Висконсин-Мэдисон предоставили новое понимание гидрофобных взаимодействий в сложных системах. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, исследователи показывают, как близкое присутствие полярных (притягивающих воду или гидрофильных) веществ может изменить то, как неполярные гидрофобные группы хотят прилипать друг к другу.
Команда создала простые молекулы со стабильной структурой, которые включали гидрофобные и гидрофильные группы в строго определенные закономерности. Затем они использовали атомно-силовой микроскоп, инструмент, который позволил им исследовать поверхность молекул, разделяя гидрофобные части и измеряя липкость между ними.
«Мы показываем, что если у вас есть две неполярные группы, и они собираются взаимодействовать через воду, то способ их взаимодействия зависит от их соседей», - говорит Эбботт. «Это похоже на разговор пары друзей. То, как они взаимодействуют, будет зависеть от того, кто стоит достаточно близко, чтобы услышать».
Было высказано предположение, что связи между гидрофобными частицами действительно изменятся в присутствии заряженных, любящих воду молекул. Эксперименты исследователей продемонстрировали эти эффекты, а также заметили, что по мере изменения химической структуры заряженных гидрофильных групп изменяется и величина их воздействия на липкость между гидрофобными группами.
«Это липкое взаимодействие определяется гидрофобным эффектом», - говорит Геллман. «И наши измерения показывают, что можно расположить полярные группы таким образом, чтобы увеличить или уменьшить адгезию между двумя гидрофобными поверхностями в воде».
Этот уровень контроля может предложить новый способ разработки всех видов молекул, которые выполняют полезные функции в воде, таких как мази на основе эмульсий, пищевые продукты, моющие средства и многое другое.
«Вы можете представить новые конструкции переключаемых материалов, интеллектуальных материалов и, возможно, систем доставки лекарств, которые могут высвобождать активный агент контролируемым образом, манипулируя этим взаимодействием», - говорит Эбботт.
Работа сотрудников, которая была поддержана Национальным научным фондом и стала возможной благодаря партнерству, ставшему возможным благодаря Наномасштабному научно-инженерному центру UW-Madison, также может уточнить взгляд биологов на изменения в белках.
Белки, катализирующие реакции и передающие информацию на молекулярном уровне в живых клетках, часто представляют собой очень сложные комбинации гидрофобных и гидрофильных групп. Качества их составных частей, которые притягивают или отталкивают воду, играют роль в том, как сворачиваются белки, что затем определяет, будут ли они выполнять поставленные перед ними задачи и каким образом.
После того, как белки синтезируются и принимают правильную форму, биологические процессы начинают модифицировать их структуру - добавляя сюда или заменяя там.
«Другое следствие нашего исследования, - говорит Геллман, - заключается в том, что эти изменения могут иметь глубокие последствия, которые ранее не были поняты».