Is 'biologisch water' hetzelfde als gewoon kraanwater?

Laserpulsen en radiogolven belichten de beweging van water in levende cellen

12 oktober 2017

Iedereen weet dat planten en dieren voor het grootste deel uit water bestaan. Gedraagt dit water waaruit levende wezens bestaan zich anders dan gewoon kraanwater? Om dat uit te zoeken gebruikten onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en het Max-Planck-Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz gepulste lasers en hoogfrequente radiogolven waarmee ze de watermoleculen in levende cellen direct konden waarnemen. Het blijkt dat de meeste watermoleculen in cellen precies dezelfde supersnelle kriskras bewegingen maken als in kraanwater, en dat een klein deel van het water veel langzamer beweegt. De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Nature Communications.

Het water in een levende cel zit vol met biomoleculen (eiwitmoleculen, suikermoleculen, DNA, enzovoort) en bevat allerlei opgeloste zouten. Die moleculen en zouten beïnvloeden het water, maar in welke mate is nog niet helemaal duidelijk. Experimenteel onderzoek werd tot nu toe vooral verricht aan oplossingen van één bepaald zout of biomolecuul. Dat lijkt totaal niet op het tjokvolle water in een echte levende cel.

Een interdisciplinair UvA-team geleid door bioloog Gertien Smits (Swammerdam Institute for Life Sciences), fysicus Daniel Bonn (Institute of Physics), en fysisch chemicus Sander Woutersen (Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences) brengt daar nu verandering in. De onderzoekers deden experimenten aan levende organismen, waarbij ze met lasers en radiogolven de bewegingen van water in de cellen direct konden waarnemen.

Laserpulsen, radiogolven en levende cellen

Deze gistcellen zijn 100 keer vergroot onder de microscoop. Bron: Wikimedia Commons.

Het idee ontstond toen bioloog Smits waarnemingen deed die leken te suggereren dat water in gistcellen zich anders gedraagt dan gewoon water; er zijn onderzoekers die geloven dat biomoleculen de structuur van het omringende water tot op grote afstand kunnen veranderen. Smits nam contact op met Bonn en Woutersen, die ruime ervaring hebben met onderzoek aan water. Samen besloten ze ultrasnelle laser-experimenten aan levende cellen te doen.

Het onderzoek werd uitgevoerd aan Escherichia coli (de bacterie die in onze darmen woont, een standaard 'proefkonijn' uit de biochemie), bakkersgist cellen en bacteriële sporen. Scheikundestudent Martijn Tros voerde de laserexperimenten uit, daarbij voor het biologische gedeelte geholpen door biologiepromovendus Linli Zheng.

In vloeibaar water bewegen de moleculen kriskras door elkaar, op een tijdschaal van biljoensten van een seconde. Om deze willekeurige beweging ‘real time’ waar te nemen gebruikten de onderzoekers superkorte pulsen (ongeveer 0.1 biljoenste seconde) van infrarood laserlicht.

Beedld: UvA/HIMS

Een eerste infrarood-puls brengt bij een deel van de watermoleculen de O-H bindingen allemaal op dezelfde manier in trilling. Door de kriskras-bewegingen van de watermoleculen zal de richting van die trillende O-H bindingen al snel willekeurig worden. Door iets later met een tweede infrarode puls te kijken hoeveel de richting van de trillende O-H bindingen is veranderd, kun je de willekeurige beweging van de watermoleculen dus direct volgen.

De laserexperimenten zijn later aangevuld met metingen met hoogfrequente radiogolven, verricht in het Max-Planck-Instituut te Mainz onder begeleiding van Johannes Hunger en Daniels broer Mischa Bonn. Bij die experimenten werd de random beweging van watermoleculen gevolgd met hoogfrequente (gigahertz) radiogolven.

Net als kraanwater

Zowel de experimenten met de lasers als met de radiogolven laten zien dat de meeste watermoleculen in een levende cel draaibewegingen vertonen die zo'n 2 biljoenste seconde duren. Dat is precies hetzelfde als in puur water. Slechts een klein deel van het cel-water beweegt langzamer. Dat komt omdat die moleculen dicht tegen de eiwitmoleculen aanzitten. Wat de onderzoekers betreft gaat het idee dat biomoleculen de structuur van al het omringende water veranderen niet op: het water in onze cellen lijkt zich grotendeels hetzelfde te gedragen als gewoon kraanwater.

Publicatie:

Martijn Tros, Linli Zheng, Johannes Hunger, Mischa Bonn, Daniel Bonn, Gertien J. Smits & Sander Woutersen: 'Picosecond orientational dynamics of water in living cells', Nature Communications 8, Article number: 904 (2017) DOI:10.1038/s41467-017-00858-0

Gepubliceerd door  HIMS