Løsning af puslespillet med polymerer, der binder sig til is til kryokonservering

Når biologisk materiale (celler, blod, væv) er frosset, kryobeskyttelsesmidler bruges til at forhindre skader forbundet med dannelsen af ​​is under fryseprocessen. Nye polymere kryobeskyttelsesmidler dukker op, sammen med de etablerede kryobeskyttelsesmidler, men hvordan de præcist formår at kontrollere isdannelse og vækst er stadig stort set ukendt. Dette gælder især for PVA, en vildledende simpel syntetisk polymer, der interagerer med is ved hjælp af mekanismer, der nu er blevet afsløret på atomistisk niveau takket være forskere fra University of Warwick.

Kryobeskyttelsesmidler er afgørende, når biologisk materiale nedfryses for at mindske den cellulære skade, der er involveret i dannelsen af ​​is. Is re-krystallisation, det er den proces, hvorved større iskrystaller vokser på bekostning af mindre, er et af de største problemer, der påvirker de nuværende kryokonserveringsprotokoller, og det er stadig dårligt forstået. Forskere fra University of Warwick har undersøgt, hvordan en ret populær polymer med potentiale til at blive brugt til kryokonservering binder sig til de voksende iskrystaller.

I avisen, med titlen "De atomistiske detaljer om isrekrystallisationsinhiberingsaktiviteten af ​​PVA, " offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forskere fra University of Warwick har fundet ud af, at i modsætning til den nye konsensus, kortere eller længere polymere kæder af poly(vinyl)alkohol (PVA) binder alle til is.

Indtil nu, samfundet har arbejdet under den antagelse, at korte polymerer ikke binder sig stærkt nok til iskrystallerne, men i dette arbejde har Dr. Sosso og kolleger demonstreret, at det er den subtile balance mellem disse bindingsinteraktioner og det effektive volumen, som polymererne optager ved grænsefladen til is, der bestemmer deres effektivitet til at hindre is-rekrystallisation.

Dette arbejde samler eksperimentelle målinger af isrekrystallisationsinhibering og computersimuleringer. Sidstnævnte er uvurderlige værktøjer til at få mikroskopisk indsigt i processer som dannelsen af ​​is, da de er i stand til at se, hvad der sker i meget hurtige eller meget små processer, som er svære at se via selv de mest avancerede eksperimentelle teknikker.

Dette arbejde kaster nyt lys over de grundlæggende principper i hjertet af is-rekrystallisering, udpege designprincipper, der kan udnyttes direkte til at designe den næste generation af kryobeskyttelsesmidler. Denne præstation er et vidnesbyrd om styrken af ​​det, der kærligt er kendt som "Team Ice" på Warwick, et stadigt voksende samarbejdsnetværk med potentiale til at få stor indflydelse på mange aspekter af isdannelse, fra atmosfærisk videnskab til medicinsk kemi.

Fabienne Bachtiger, en ph.d. studerende, der arbejder i forskningsgruppen for Dr. Sosso (Kemiafdelingen), som har stået i spidsen for dette arbejde, forklarer:

"Vi har fundet ud af, at selv ret korte kæder af PVA, indeholdende kun ti polymere enheder, binder sig til is, og at små blokcopolymerer af PVA også binder. Det er vigtigt for det eksperimenterende samfund at vide dette, da de har arbejdet under forskellige forudsætninger indtil nu. Faktisk, det betyder, at vi med succes kan bruge meget mindre polymerer end tidligere antaget. Dette er afgørende information for at hjælpe udviklingen af ​​nye mere aktive kryobeskyttelsesmidler."

Dr. Gabriele Sosso, fra Institut for Kemi ved University of Warwick, som leder en betydelig beregningsmæssig indsats for at undersøge dannelsen af ​​is i biologisk stof, siger, "Med dette bidrag har vi tilføjet en afgørende brik til puslespillet om, hvordan præcist polymere kryobeskyttelsesmidler interagerer med voksende iskrystaller. Dette er en del af en større mængde beregningsmæssigt og teoretisk arbejde, som min gruppe forfølger med den hensigt at forstå, hvordan kryobeskyttelsesmidler virker på det molekylære niveau, for at identificere designprincipper, der kan undersøges direkte af vores eksperimentelle kolleger. Warwick er det perfekte sted at fremme vores forståelse af is, og dette arbejde viser virkningen af ​​det meget spændende samarbejde mellem min forskningsgruppe og Gibson-gruppen."

Professor Matthew Gibson, fra Department of Chemistry og Warwick Medical School ved University of Warwick, siger, "Genkrystallisering af is er en reel udfordring inden for kryobiologi, fører til beskadigelse af celler, men også i frosne fødevarer eller infrastruktur. At forstå, hvordan selv denne 'simple' polymer virker til at kontrollere is-rekrystallisering, er et stort skridt fremad for at opdage nye kryobeskyttelsesmidler, og i sidste ende at bruge dem i den virkelige verden."