神秘的高能水揭示了一种全新的分子作用力

地球上的一部分水存在于极小的空间中，包括蛋白质结合位点或人工合成受体中的分子空腔。长期以来，科学家们一直在争论这些受限区域内的水究竟只是被动的旁观者，还是会影响分子间的相互作用方式。“通常情况下，水分子之间的相互作用最强。但实验数据表明，在这些狭窄的空腔中，水的表现异常，”德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）纳米技术研究所的弗兰克·比德曼博士表示，“我们如今能够为这些观测结果提供理论依据，并证明分子空腔中的水处于能量激活状态。”

为何“高能”水至关重要
研究团队将这种异常状态描述为“高能”。这并不意味着被困的水会发光或冒泡，而是指它比普通水蕴含更多能量。打个简单的比方：就像人们挤在拥挤的电梯里，门一开就会匆忙逃离。同样，当另一个分子靠近时，高能水会迅速冲出空腔，为进入的分子腾出位置。这种水的释放有助于加强新分子与分子空腔之间的结合力。

预测分子结合强度
为探究这种效应，研究人员使用葫芦[8]脲作为模型“主体”分子。这种结构能够容纳“客体”分子，且由于其高度对称性，比复杂的蛋白质更容易研究。“借助计算机模型，我们能够根据客体分子的不同，计算出高能水能带来多少额外的结合力，”不来梅Constructor大学的维尔纳·瑙教授解释道，“我们发现，水的能量激活程度越高，当它被置换时，就越有利于客体分子与主体分子的结合。”

比德曼继续说道：“所得数据清楚地表明，高能水分子的概念具有物理基础——而且正是这些水分子在分子键形成过程中充当着核心驱动力。例如，即便是天然抗体（如抗SARS-CoV-2的抗体），其有效性可能部分归功于它们将水分子运进和运出结合空腔的方式。”

在医学和材料科学中的潜在应用
这些发现可能对药物研发和先进材料具有重要意义。在药物设计中，识别目标蛋白质内的高能水有助于化学家设计出能有意将这些水挤出的分子，利用其能量贡献，使分子更牢固地锚定在蛋白质上——最终提高药物效力。在材料研究中，构建能够迫使此类水排出或置换的空腔，可能会研发出更好的传感器或具有改进存储能力的材料。

为得出这些结论，研究团队将高精度量热法（一种用于测量分子相互作用过程中热量变化的技术）与加州大学圣地亚哥分校的杰弗里·塞蒂亚迪博士和迈克尔·K·吉尔森教授开发的计算机模型相结合。