Прочность водородной связи измерили напрямую

«Динамометр» для измерения силы водородных связей. Исследователи проверили свою методику на модельной системе «гость-хозяин» —циануровой кислоте, связанной с рецептором Гамильтона

Исследователи из Испании разработали универсальную методику, позволяющую механически разрушать комплексы «гость-хозяин» и напрямую мерить в них прочность водородных связей. Таким способом можно измерять силы величиной 0,1—1 пиконьютонов («Chemical Science», 2017, 8, 6037—6041; doi: 10.1039/c7sc03044d).

Методы измерения прочности межмолекулярных взаимодействий для равновесных систем давно известны и успешно применяются. Однако химическим процессам, характерным для живых систем, несвойственно состояние химического равновесия. Как же измерить прочность водородных связей в реальных условиях, максимально близким к тем, что существуют в клетке?

Один из авторов нового подхода — Борха Ибарра из Мадридского автономного университета — отмечает, что ранее уже пытались определить прочность водородной связи с помощью атомно-силового микроскопа. К сожалению, результаты экспериментов не позволили с уверенностью сказать, что речь идет о прочности водородных связей, образованных парой молекул (одним донором и одним акцептором водородной связи). Возможно, таким способом определили прочности связей в ассоциате с большим количеством молекул. Еще один недостаток ранее применявшихся методов: с их помощью не удавалось измерять абсолютное значение силы менее 10 пиконьютонов, хотя чувствительность была достаточно высокой: удавалось зафиксировать различие в прочности двух связей, составляющее менее чем 1 пиконьютон.

Ибарра и его коллега Эмилио Перес повысили разрешающую способность метода с помощью атомно-силового микроскопа. Они научились измерять общую прочность нескольких водородных связей, возникающих между двумя молекулами. Для такого измерения нужны молекула ДНК и оптический пинцет (то есть оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами, в том числе молекулами и атомами, с помощью лазерного света). Подход заключается в следующем: комплекс «гость-хозяин», в котором измеряют прочность водородной связи, связывают с концами двухнитевой молекулы ДНК (например, гостя с 5’-концом, а хозяина – с 3’-концом: это гарантирует, что мы проводим измерение лишь для одного комплекса «гость-хозяин»). С помощью оптического пинцета нити ДНК разводят в противоположном направлении. При этом 5’ и 3’-концы ДНК расходятся в разные стороны, комплекс «гость-хозяин» разрушается, а исследователи измеряют силу, необходимую для разрушения этого комплекса.

Предложенный подход испытали на модельной системе, состоящей из рецептора Гамильтона (рецептор, разработанный в качестве хозяина для связывания барбитуратов, см. «Journal of the American Chemical Society», 1988, 110, 4, 1318—1319, doi: 10.1021/ja00212a065), и его гостей — производных циануровой кислоты. Оказалось, что для разрыва всех водородных связей в комплексе «гость-хозяин» требуется 17 пиконьютонов. Замена одного из атомов водорода на метильную группу ожидаемо приводит к ослаблению водородной связи, ее прочность уменьшается на 1—2 пиконьютона.

Исследователи надеются расширить наши представления о водородных связях, измерив их прочность в большем количестве систем.