Исследователи определили необычный способ предотвращения образования воды кристаллами льда при минусовых температурах

По данным исследовательской группы из Цюрихского университета и ETH Zurich, вода может достигать – 263 ° C, не превращаясь в лед, если она заключена в нанометр липидные каналы.

Трехмерная модель новой липидной мезофазы: этот кубический мотив регулярно повторяется в материале. (Изображение предоставлено: Peter Rüegg / ETH Zurich)

Кубики льда можно сделать довольно легко. Все, что нужно сделать, это взять пластиковый поднос с кубиками льда, который можно найти в большинстве домашних хозяйств, затем наполнить его водой и поместить в морозильник. За короткий промежуток времени вода кристаллизуется и превращается в лед.

Если бы люди изучали структуру кристаллов льда, они обнаружили бы, что молекулы воды организованы в правильные трехмерные решетчатые структуры. С другой стороны, молекулы не организованы в воде, и это причина, по которой вода течет.

Стекловидная вода

Команда химиков и физиков из Цюрихского университета и ETH Zurich, возглавляемая профессором Раффаэле Мецценга и профессором Эхудом Ландау, обнаружила необычный метод предотвращения превращения воды в кристаллы льда, то есть она продолжает удерживать аморфные свойства жидкости даже при экстремальных минусовых температурах.

На начальном этапе ученые спроектировали и разработали новый класс липидов или молекул жира для получения липидной мезофазы – инновационной формы «мягкой» биологической материи. Липиды в этом материале самопроизвольно собираются и объединяются, образуя мембраны, действуя как молекулы естественного жира. Впоследствии эти мембраны создают сеть соединенных каналов, принимая четное расположение; эти каналы имеют диаметр менее 1 нм. Содержание воды и температура, а также новая структура сконструированных липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.

Нет места для кристаллов воды

Уникальным в этой структуре является то, что в узких каналах, в отличие от лотка для кубиков льда, нет места для превращения воды в кристаллы льда, и поэтому она остается разупорядоченной даже при очень низких минусовых температурах. Более того, липиды также не замерзают.

Исследователи использовали жидкий гелий для охлаждения липидной мезофазы, содержащей химически измененный моноацилглицерин, до такой низкой температуры – 263 ° C, что всего на 10 ° C выше абсолютного нуля температура, а еще кристаллы льда не образуются. Вода при этой температуре стала «гладкой», как команда смогла показать и доказать в симуляции. Результаты необычного поведения воды, когда она ограничена липидной мезофазой, были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology .

« Ключевым фактором является соотношение липидов к воде », – объяснил профессор Раффаэле Мецценга из Лаборатории пищевых и мягких материалов в ETH Zurich. Следовательно, содержание воды в смеси определяет температуры, при которых изменяется геометрия мезофазы. Например, если смесь содержит 12% воды по объему, структура мезофазы изменится при температуре 15 ° C от кубического лабиринта до пластинчатой ​​структуры.

Натуральный антифриз для бактерий

Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка.

Д-р Эхуд Ландау, профессор химического факультета Цюрихского университета.

Ландау объяснил, что причина этого в том, что молекулы липидов состоят из двух частей: одна притягивает воду (гидрофильная), а другая отталкивает воду (гидрофобная). « Это делает их чрезвычайно трудными для работы с », – заявил он.

Новый мягкий биоматериал, изготовленный из воды и липидных мембран, имеет сложную структуру, которая увеличивает интерфейс воды с гидрофильными частями и уменьшает ее контакт с гидрофобными частями.

Новая группа липидов была впоследствии смоделирована на мембранах специфических бактерий. Эти микроорганизмы также создают уникальный класс липидов, которые собираются самостоятельно и могут естественным образом ограничивать количество воды в их внутреннем пространстве, позволяя микробам переноситься в чрезвычайно холодных условиях.

Новизна наших липидов заключается во введении сильно напряженных трехчленных колец в специфические положения внутри гидрофобных частей молекул. Они обеспечивают необходимую кривизну для образования таких крошечных водяных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов .

Д-р Эхуд Ландау, профессор химического факультета Цюрихского университета.

Мягкая материя для исследований

Новые липидные мезофазы будут в основном служить инструментом для других исследователей. С помощью этих липидных мезофаз огромные биомолекулы в среде, имитирующей мембрану, могут быть неразрушительно разделены, сохранены и изучены, например, с помощью криогенной электронной микроскопии. Этот метод все чаще используется биологами для установления функций и структур огромных молекулярных комплексов или гигантских биомолекул, таких как белки.

В обычном процессе замораживания, когда образуются ледяные кристаллы, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные биомолекулы, что не позволяет нам определить их структуру и функцию при взаимодействии с липидными мембранами.

Доктор Раффаэле Меззенга, профессор, Лаборатория пищевых и мягких материалов, ETH Zurich.

Однако, не с новой мезофазой, которая, помимо того, что является неразрушающей, поддерживает эти молекулы в их первоначальном состоянии, а также в присутствии другого главного строительного блока жизни, то есть липидов.

« Наше исследование открывает путь для будущих проектов по определению того, как белки могут сохраняться в в их первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах », – заявил ETH профессор.

Кроме того, новый класс мягкой материи может даже использоваться в многообещающих применениях, где необходимо предотвратить замерзание воды.

Но наша работа не была направлена ​​на экзотические приложения. Нашей основной задачей было дать исследователям новый инструмент, который облегчил бы изучение молекулярных структур при низкой температуре без кристаллов, влияющих на лед, и, в конечном счете, чтобы понять, как два основных компонента жизни, то есть вода и липиды, взаимодействуют в экстремальных температурных и геометрических условиях. удержания.

Доктор Раффаэле Мецценга, профессор, Лаборатория пищевых и мягких материалов, ETH. Цюрих

Source link