L’eau est présente partout dans la vie, couvrant la majeure partie de notre planète, constituant la majorité de notre corps et constituant le théâtre sur lequel se déroule toute la biologie. Pourtant, toutes les eaux ne se comportent pas de la même manière. La majeure partie fait partie du vaste océan de liquide en vrac qui s'écoule librement, mais une partie se retrouve piégée dans de minuscules coins et recoins, confinée à l'intérieur de poches moléculaires telles que des sites de liaison aux protéines ou des récepteurs synthétiques.
Ces eaux piégées vivent selon des règles inhabituelles, incapables d’établir toutes leurs connexions préférées avec les liaisons hydrogène. En effet, ils sont comme des invités entassés dans un ascenseur surchauffé : impatients de sortir si quelqu'un ouvre la porte.
Les scientifiques appellent parfois cela « eau à haute énergie »- non pas parce qu'elle brille ou pétille, mais parce qu'elle est dans un état moins confortable et plus énergétique que l'eau ordinaire. Déplacer cette eau lorsqu'une autre molécule s'y déplace peut donner un résultat surprenant. « booster » à la force de l’interaction, presque comme si l’eau elle-même aidait à mettre le nouveau venu à sa place.
Werner Nau et Frank Biedermann de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont d'abord mesuré et cartographié cette interaction. Leur étude montre, de manière quantitative et détaillée, combien d'argent supplémentaire « pouvoir contraignant » peut provenir de l’expulsion de l’eau à haute énergie. Le travail se concentre sur des systèmes hôtes-invités modèles, des conteneurs moléculaires qui imitent la façon dont les poches biologiques retiennent les molécules, permettant à l’équipe de distinguer les contributions thermodynamiques précises du déplacement de l’eau.
« L'eau n'est pas seulement la toile de fond de la chimie de la vie : elle est souvent le moteur de l'action, » déclare Nau, professeur de chimie à la Constructor University et co-auteur principal de la nouvelle étude publiée dans Angewandte Chemie International Edition. « En comprenant comment les molécules d'eau se comportent à l'intérieur des sites de liaison moléculaire, nous pouvons concevoir des interactions plus fortes et plus intelligentes pour des applications dans des domaines allant des médicaments aux matériaux. »
Quantifier le rôle de quelques molécules d’eau invisibles n’est pas une tâche simple. Les chercheurs ont initialement utilisé la calorimétrie de haute précision, qui mesure la chaleur libérée ou absorbée lors d'événements moléculaires, mais le tableau complet n'a pu être résolu qu'avec la modélisation informatique réalisée par Jeffry Setiadi et Michael Gilson de l'Université de Californie à San Diego. Ensemble, ils pourraient attribuer des numéros aux « bonus d'énergie gratuite » cela vient de l’élimination de l’eau à haute énergie.
Un exemple frappant est celui de la molécule macrocyclique cucurbit(8)uril, un hôte moléculaire largement étudié. Lorsqu'il lie un invité, le départ des molécules d'eau encapsulées offre un gain thermodynamique particulièrement important. Les résultats de l'équipe mettent en avant des données concrètes derrière un principe longtemps suspecté mais rarement prouvé : plus l'eau est inconfortable, plus elle aide à sa sortie.
Cette idée a des implications considérables. Dans la conception de médicaments, l’identification d’eaux à haute énergie dans une cible protéique pourrait aider les chimistes à concevoir des molécules qui les expulsent, améliorant ainsi leur puissance et leur spécificité. En science des matériaux, la création de cavités qui excluent ou éjectent ces eaux pourrait améliorer les performances de détection ou de stockage. Même les enzymes naturelles doivent en partie leur efficacité à la façon dont elles font entrer et sortir les molécules d'eau de leurs sites actifs.
« L'eau à haute énergie a fait partie des discussions en chimie supramoléculaire et biomoléculaire, mais les chiffres étaient difficiles à cerner, » dit le professeur Biedermann. « Nos résultats fournissent une carte quantitative que les chimistes et biochimistes peuvent appliquer dans différents systèmes pour anticiper la manière dont l’eau influencera la liaison. »
