Aquaporinas são proteínas que servem como canais de água para regular o fluxo de água através das membranas celulares biológicas. Eles também removem o excesso de sal e as impurezas do corpo, e é esse aspecto que tem gerado muito interesse nos últimos anos em como imitar os processos bioquímicos das aquaporinas, potencialmente para sistemas de dessalinização de água.

Uma equipe internacional de pesquisadores co-liderados por Georges Belfort descobriu a água, na forma de "fios de água, "contido em outra molécula - o imidazol - um composto orgânico à base de nitrogênio que poderia ser usado como um bloco de construção potencial para aquaporinas artificiais. As descobertas foram publicadas recentemente em Avanços da Ciência . Belfort é professor do Instituto e professor de engenharia química e biológica no Rensselaer Polytechnic Institute.

Colega de Belfort, Mihail Barboiu, um líder de pesquisa no Instituto Europeu de Membranas (EMI) na França, sintetizou e estudou a dinâmica de uma estrutura de anel do imidazol embutido em uma bicamada lipídica suportada (isto é, em um modelo sintético de uma membrana biológica que envolve uma célula). EMI opera sob os auspícios de várias organizações, incluindo o Centro Nacional de Pesquisa Científica da França (abreviado como CNRS em francês).

Estudos de raios-X de Barboiu e simulações dinâmicas de computador pelo pesquisador do CNRS Marc Baaden mostram que a estrutura do anel do imidazol torna a molécula uma candidata ideal para aprender como as aquaporinas artificiais podem ser desenvolvidas. Em teoria, as moléculas de imidazol montadas agem como uma aquaporina, permitindo que as moléculas de água entrem e possivelmente fluam através do centro da estrutura do anel, enquanto impedem a entrada de outras moléculas.

Ainda, não havia nenhuma prova direta de que existia água dentro do canal de água do imidazol. Descobrir, Barboiu contou com a ajuda de Belfort e Poul Petersen, professor assistente de química na Cornell University.

Por meio de seus estudos experimentais, Belfort e Petersen descobriram que não só existe água no canal de imidazol, mas também que a construção do anel imidazol induz as moléculas de água a se automontarem em uma estrutura de cadeia linear altamente orientada - ou o que os pesquisadores apelidaram de "fios de água".

"Pela primeira vez, fizemos uma observação direta desta estrutura de água única dentro de um canal de água sintético que imita uma aquaporina, "Disse Belfort.

Belfort e seus colegas também descobriram que a quiralidade das moléculas de imidazol orienta as moléculas de água e poderia aumentar a permeabilidade da água através do canal de água em comparação com aquiral (ou seja, não quirais) moléculas de imidazol que eles também montaram. A quiralidade acontece quando uma imagem espelhada de um objeto não é sobreposta, por exemplo, sua mão esquerda e direita.

No caso da molécula de imidazol, sua quiralidade depende da maneira como os grupos de átomos em uma molécula são organizados. Como explicou Belfort, os átomos quirais de imidazol podem ser vistos como raios em uma roda de bicicleta que não podem ser sobrepostos aos "raios" de um imidazol que é aquiral.

"Se você colocar vários desses anéis em cima uns dos outros como uma pilha de panquecas, o centro (o 'eixo') dos raios mantém as moléculas de água e permite que elas se conectem umas às outras de forma ordenada para formar um fio d'água, "disse ele." Nossos resultados também mostraram que o fio de água mudou sua orientação quando a quiralidade do imidazol muda, confirmando ainda que a forma quiral do imidazol controla como a água se comporta. "

Em seu estudo, os pesquisadores usaram canais de água artificiais que criaram a partir de estruturas automontadas de imidazol dentro de bicamadas lipídicas, membranas finas que formam uma barreira contínua ao redor das células. Os blocos de construção do imidazol foram sintetizados por Barboiu e seu grupo na França. O grupo de pesquisa de Belfort então montou as bicamadas lipídicas para conter as estruturas de imidazol.

A equipe de Belfort usou uma microbalança de cristal de quartzo (QCM) para medir a montagem e o conteúdo de água. Os pesquisadores usam QCM para medir pequenas mudanças de massa em um cristal de quartzo vibrante. Os lipídios contendo as estruturas do fio d'água foram então transportados para Cornell por Mirco Sorci, um pesquisador associado no laboratório de Belfort, para analisar melhor a presença do fio d'água e sua orientação, usando um instrumento especial que mede as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água, chamado espectrômetro de geração de frequência de soma.