Nanowater
Water is een fascinerende vloeistof die essentieel is voor het leven. Het water dat betrokken is bij biochemische processen bestaat echter vaak maar uit enkele moleculen. De vraag is of water in die minuscule hoeveelheid dezelfde eigenschappen heeft als water zoals het uit de kraan komt. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben ontdekt dat dit niet het geval is. Als water in de vorm van individuele watermoleculen wisselwerkt met andere moleculen, blijkt het volkomen andere eigenschappen te hebben dan bulk vloeibaar water. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 1 maart 2005 in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Science.
Water is het oplosmiddel van het leven. Heel veel biochemische processen kunnen alleen maar plaatsvinden dankzij het feit dat de biomoleculen omringd worden door watermoleculen. De interacties met water zorgen er bijvoorbeeld voor dat eiwitmoleculen (enzymen) en DNA een bepaalde ruimtelijke structuur aannemen. Deze ruimtelijke structuur is vaak essentieel voor hun functie. Eerder onderzoek aan vloeibaar water heeft laten zien dat water inderdaad bijzondere eigenschappen bezit. Watermoleculen blijken zeer snel van richting te veranderen (reoriënteren) en zeer snel energie aan elkaar over te dragen. Ook blijken de netwerken van waterstofbruggen van vloeibaar water buitengewoon dynamisch te zijn. Elke waterstofbrug wordt op een tijdschaal van 0,5 picoseconde (= 0.5 x 10 -12 seconde) gebroken en opnieuw gevormd.
Productie van nanowater
Een belangrijke vraag is wat er gebeurt met de eigenschappen van water als het wordt ingeperkt op de schaal van het molecuul, dat wil zeggen op een schaal van nanometers (=10 -9 meter). Joop Gilijamse, Arjan Lock en Huib Bakker van AMOLF hebben het gedrag van individuele watermoleculen onderzocht en dat gedrag vergeleken met dat van bulk vloeibaar water. De meest eenvoudige manier om afzonderlijke watermoleculen te bestuderen is om te kijken naar water in de gasfase. Echter, in dat geval zijn de watermoleculen geïsoleerd en niet in wisselwerking met andere moleculen. Om te kunnen kijken naar individuele watermoleculen in de vloeistoffase hebben de onderzoekers de volgende truc bedacht. Ze hebben een mengsel genomen van water, aceton en een a-polair oplosmiddel. De watermoleculen lossen normaal gesproken niet op in het a-polaire oplosmiddel. De aanwezigheid van de acetonmoleculen zorgt er echter voor dat afzonderlijke watermoleculen toch in de a-polaire oplossing kunnen komen. Er vormen zich namelijk clusters van acetonmoleculen met daarbinnen een enkel water molecuul. Deze clusters kunnen in hun geheel oplossen in het a-polaire oplosmiddel. Het opgesloten watermolecuul binnen de cluster vormt waterstofbruggen met de acetonmoleculen die sterk lijken op de waterstofbruggen die worden gevormd tussen watermoleculen en de amidegroepen van eiwitten en de stikstofbasen van DNA. Het onderzochte systeem vormt dus een goede nabootsing van het klimaat van individuele watermoleculen in een cel.
Experimentele methode
De onderzoekers hebben de eigenschappen van de opgesloten watermoleculen onderzocht met ultrasnelle mid-infrarood spectroscopie. In dit experiment wordt het water beschenen met ultrakorte lichtpulsen van 100 femtoseconden. De infrarode lichtpulsen hadden een golflengte van ongeveer 3000 nanometer. Deze golflengte komt overeen met een trillingsfrequentie van 10 14 hertz, hetgeen gelijk is aan de trillingsfrequentie van de waterstofatomen van het watermolecuul. De lichtpuls zorgt ervoor dat een van de twee OH-trillingen van het watermolecuul in een hogere trillingstoestand (energieniveau) wordt gebracht. Met een tweede lichtpuls kan dan worden gekeken hoelang het duurt voordat de energie van de trilling aan de andere OH-trilling wordt doorgegeven en/of hoelang het duurt voordat beide OH-trillingen hun energie zijn kwijtgeraakt. Ook is het mogelijk om de beweging (reoriëntatie, translatie) van het watermolecuul in de tijd te volgen.
Beweeglijkheid van nanowater
Uit de experimenten blijkt dat de draaiing (reoriëntatie) van het opgesloten watermolecuul veel langzamer verloopt dan in bulk vloeibaar water. Dit is zeer verrassend omdat de waterstofbruggen die het watermolecuul beletten te draaien, juist zwakker zijn dan in vloeibaar water. Op grond daarvan zou je dus verwachten dat het watermolecuul juist sneller draait, wat niet het geval blijkt! Normaal zou je ook verwachten dat een zwakkere waterstofbrug sneller kapot gaat (verbreekt). Ook dat is niet het geval! De zwakkere waterstofbrug tussen een watermolecuul en aceton blijft langer intact (1,3 picoseconde = 1,3 x 10 -12 seconde) dan de sterkere waterstofbrug tussen twee watermoleculen (0,5 picoseconde = 0,5 x 10 -12 seconde). Het opgesloten water blijkt zich dus veel langzamer te bewegen dan de moleculen in bulk vloeibaar water.
Energiedynamica
Een van de meest fascinerende eigenschappen van vloeibaar water is dat de trillingsenergie van een OH-groep razendsnel binnen het molecuul en tussen de moleculen wordt doorgegeven. Binnen 50 femtoseconden verdwijnt de trillingsenergie al naar een volgende OH-groep. Voor nanowater blijkt dit proces veel langzamer te verlopen. De trillingsenergie tussen de twee OH-groepen wordt uitgewisseld met een tijdsconstante van 1,3 picoseconde, hetgeen dus bijna 30 keer zo traag is als in bulk vloeibaar water! Deze tijdsconstante is hetzelfde als de tijdschaal waarop de waterstofbruggen met de acetonmoleculen verbreken. Dat is geen toeval. De verandering van de sterkte van de waterstofbruggen zorgt er namelijk voor dat de twee OH-trillingen van het opgesloten watermolecuul gedurende korte tijd dezelfde trillingsfrequentie krijgen (resonantie). Op dat moment kan de energie van de ene naar de andere trilling worden overgedragen (zie de figuur). In bulk vloeibaar water hoeft de energieoverdracht niet te wachten op het verbreken van de waterstofbruggen. Daar zijn namelijk altijd OH-groepen in de buurt te vinden die dezelfde frequentie hebben en daardoor de energie direct kunnen overnemen.
Een verrassend resultaat is ook dat de energie van de OH-trillingen van het opgesloten water slechts heel langzaam wordt omgezet in warmte. In bulk water wordt de OH-trillingsenergie al na 0,5 picoseconde omgezet in warmte, voor het opgesloten watermolecuul duurt dat maar liefst 6 picoseconden. Dat betekent dat het opgesloten watermolecuul zijn trillingsenergie veel langer vasthoudt dan de moleculen in bulk vloeibaar water.
Implicaties
Uit het onderzoek blijkt dat opgesloten watermoleculen in wisselwerking met (bio)moleculen zich volkomen anders gedragen dan watermoleculen in bulk vloeibaar water. Dit betekent dat we de rol van water in biochemische processen niet mogen verklaren uit de eigenschappen van bulk water. Watermoleculen rond (bio)moleculen blijken zich veel langzamer te bewegen dan de moleculen in bulk water. Watermoleculen kunnen er dus voor zorgen dat het biomolecuul voor langere tijd in een bepaalde structuur wordt gedwongen, een eigenschap die je op grond van de grote beweeglijkheid van de moleculen in bulk vloeibaar water niet zou verwachten. Een andere onverwachte eigenschap is dat water rond (bio)moleculen trillingsenergie heel lang vast kan houden. Dit vermogen om energie op te slaan kan een rol spelen in de afvoer en toevoer van energie in biochemische reacties.
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr. Huib Bakker, FOM-Instituut AMOLF, Amsterdam, telefoon: (020) 608 12 34, http://www.amolf.nl.