O ácido ribonucléico (RNA) desempenha um papel fundamental nos processos bioquímicos que ocorrem a nível celular em um ambiente aquático. Os mecanismos e a dinâmica da interação entre o RNA e a água foram agora revelados por espectroscopia vibracional em escalas de tempo ultracurtas e analisados ​​por uma teoria aprofundada.

O ácido ribonucléico (RNA) representa um constituinte elementar das células biológicas. Enquanto o ácido desoxirribonucléico (DNA) serve como transportador da informação genética, O RNA exibe uma funcionalidade bioquímica muito mais complexa. Isso inclui a transmissão de informações na forma de mRNA, Função catalítica mediada por RNA em ribossomos, e a codificação da informação genética em vírus. O RNA consiste em uma sequência de moléculas de nucleobases orgânicas mantidas juntas por uma estrutura chamada de fosfato e grupos de açúcar. Essa sequência pode existir como uma única fita ou em uma geometria de dupla hélice emparelhada. Ambas as formas estão embutidas em uma concha de água e seus grupos de fosfato e açúcar são pontos de ancoragem distintos para moléculas de água. A estrutura da concha de água flutua em uma escala de tempo de alguns décimos de picossegundo. As interações de RNA e água e seu papel na formação de estruturas tridimensionais de RNA são apenas compreendidas de forma insuficiente e de difícil acesso por experimentos.

Cientistas do Instituto Max Born já observaram a interação do RNA com sua concha de água em tempo real. Em seu novo método experimental, as vibrações do esqueleto do RNA servem como sondas não invasivas sensíveis da influência das moléculas de água vizinhas na estrutura e dinâmica do RNA. A chamada espectroscopia infravermelha bidimensional permite mapear a evolução temporal das excitações vibracionais e determinar as interações moleculares dentro do RNA e entre o RNA e a água. Os resultados mostram que as moléculas de água na superfície do RNA realizam movimentos de inclinação, as chamadas librações, dentro de uma fração de picossegundo, enquanto seu arranjo espacial local é preservado por um intervalo de tempo superior a 10 ps. Este comportamento se desvia fortemente daquele da água pura e é governado pelas condições de contorno estereoquímicas estabelecidas pela superfície do RNA. Moléculas de água individuais conectam grupos de fosfato vizinhos e formam uma estrutura parcialmente ordenada que é mediada por seu acoplamento às unidades de açúcar.

As moléculas de água em movimento geram uma força elétrica pela qual as flutuações da água são transferidas para as vibrações do RNA. As diferentes vibrações do backbone exibem um comportamento dinâmico diverso que é determinado pelo ambiente aquático local e reflete sua heterogeneidade. As vibrações de RNA também se acoplam mutuamente e trocam energia entre si e com a concha de água. A redistribuição ultrarrápida resultante do excesso de energia é essencial para evitar um superaquecimento local da estrutura macromolecular sensível. Este cenário complexo foi analisado por cálculos teóricos detalhados e simulações que, entre outros resultados, permitiu a primeira identificação completa e quantitativa das diferentes vibrações da estrutura do RNA. Experimentos comparativos com DNA revelam semelhanças e diferenças características entre essas duas biomoléculas elementares, mostrando um arranjo de água mais estruturado em torno do RNA. O estudo destaca o forte potencial da espectroscopia vibracional resolvida no tempo não invasiva para desvendar a interação da estrutura e dinâmica em sistemas biomoleculares complexos em comprimento molecular e escalas de tempo.