Eine bahnbrechende Untersuchung unter der Leitung von Prof. Dr. Werner Nau von der Constructor University und Prof. Dr. Frank Biedermann vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beleuchtet die aktive Rolle von Wasser in biochemischen und chemischen Prozessen. Die in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlichte Studie zeigt erstmals quantitativ, wie „hochenergetisches Wasser“ – Wassermoleküle, die in molekularen Bindungsstellen eingeschlossen sind – die Stärke von molekularen Wechselwirkungen erheblich steigern kann. Diese Erkenntnisse könnten die Arzneimittelforschung und Materialwissenschaft revolutionieren.
Wasser ist weit mehr als ein passives Medium: In engen molekularen Taschen, wie sie in Proteinen oder synthetischen Rezeptoren vorkommen, befinden sich Wassermoleküle in einem energetisch ungünstigen Zustand, da sie nicht alle ihre Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden können. Dieses „hochenergetische Wasser“ liefert beim Verlassen der Bindungsstelle einen energetischen Schub, der die Bindung eines neuen Moleküls verstärkt. Die Studie fokussiert sich auf sogenannte Host-Guest-Systeme, die biologische Bindungsprozesse nachahmen, und zeigt, wie die Verdrängung solcher Wassermoleküle die Bindungsenergie erhöht.
Durch hochpräzise Kalorimetrie, unterstützt von computergestützter Modellierung durch Dr. Jeffry Setiadi und Prof. Dr. Michael Gilson von der University of California San Diego, gelang es dem Team, den thermodynamischen Beitrag dieser Wasserverdrängung genau zu quantifizieren. Besonders eindrucksvoll waren die Ergebnisse mit dem makrozyklischen Molekül Cucurbit[8]uril: Wenn dieses einen Gast bindet, führt das Austreten der eingeschlossenen Wassermoleküle zu einem signifikanten energetischen Gewinn. Je ungünstiger die Bedingungen für das Wasser in der Bindungsstelle, desto größer der Vorteil, wenn es verdrängt wird.
Die Erkenntnisse haben weitreichende Implikationen. In der Arzneimittelforschung könnten gezielt gestaltete Wirkstoffe, die hochenergetisches Wasser aus Proteinstrukturen verdrängen, die Wirksamkeit und Selektivität von Medikamenten verbessern. In der Materialwissenschaft könnten Hohlräume, die Wasser ausschließen, die Leistung von Sensoren oder Speichermaterialien steigern. Sogar die Effizienz von Enzymen könnte durch dieses Prinzip beeinflusst werden.
Die deutsch-amerikanische Kooperation zwischen Constructor University, KIT und der University of California San Diego liefert eine präzise quantitative Grundlage für ein Phänomen, das in der Chemie lange vermutet, aber schwer nachzuweisen war. Die Studie wurde für die Titelabbildung von Angewandte Chemie ausgewählt, was ihre hohe wissenschaftliche Bedeutung unterstreicht. Die Ergebnisse bieten Forschenden ein Werkzeug, um die Rolle von Wasser in molekularen Systemen gezielt zu nutzen – mit potenziellen Anwendungen von der Medizin bis zur Materialentwicklung.
Quelle: Thermodynamics of Water Displacement from Binding Sites and its Contributions to Supramolecular and Biomolecular Affinity, Angewandte Chemie International Edition (2025), DOI: 10.1002/anie.202505713
