Vand, der aldrig fryser

Kan vand nå minus 263 grader Celsius uden at blive til is? Ja den kan, siger forskere fra ETH Zürich og universitetet i Zürich, hvis det er begrænset til lipidkanaler i nanometer-skala.

At lave isterninger er en simpel proces:Du tager en isterningebakke af plast, som du ville finde i de fleste husstande, fyld den med vand og sæt den i fryseren. Inden længe, vandet krystalliserer og bliver til is.

Hvis du skulle analysere iskrystallers struktur, du ville se, at vandmolekylerne er arrangeret i regelmæssige 3-dimensionelle gitterstrukturer. I vand, derimod, molekylerne er uorganiserede, hvilket er grunden til at vand strømmer.

Glasagtigt vand

Anført af professorerne Raffaele Mezzenga og Ehud Landau, en gruppe fysikere og kemikere fra ETH Zürich og Zürich Universitet har nu identificeret en usædvanlig måde at forhindre vand i at danne iskrystaller, så selv ved ekstreme temperaturer under nul bevarer den de amorfe egenskaber ved en væske.

I et første trin, forskerne designede og syntetiserede en ny klasse af lipider (fedtmolekyler) for at skabe en ny form for "blødt" biologisk stof kendt som en lipid mesofase. I dette materiale, lipiderne samler sig spontant og aggregerer for at danne membraner, opfører sig på samme måde som naturlige fedtmolekyler. Disse membraner vedtager derefter et ensartet arrangement for at danne et netværk af tilsluttede kanaler, der måler mindre end en nanometer i diameter. Temperatur og vandindhold, såvel som den nye struktur af de designede lipidmolekyler bestemmer den struktur, som den lipide mesofase tager.

Ingen plads til vandkrystaller

Hvad der er så specielt ved denne struktur er, at der-i modsætning til i en isterningbakke-ikke er plads i de smalle kanaler til, at vand kan danne iskrystaller, så den forbliver uorden selv ved ekstreme minusgrader. Lipiderne fryser heller ikke.

Ved hjælp af flydende helium, forskerne var i stand til at afkøle en lipid mesofase bestående af en kemisk modificeret monoacylglycerol til en temperatur så lav som minus 263 grader Celsius, som er kun 10 grader over den absolutte nultemperatur, og der dannedes stadig ingen iskrystaller. Ved denne temperatur, vandet blev "glasagtigt", som forskerne var i stand til at demonstrere og bekræfte i en simulering. Deres undersøgelse af denne usædvanlige opførsel af vand, når det er begrænset i en lipid mesofase, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

"Nøglefaktoren er forholdet mellem lipider og vand, "forklarer professor Raffaele Mezzenga fra Laboratory of Food &Soft Materials ved ETH Zürich. Derfor har det er vandindholdet i blandingen, der bestemmer de temperaturer, ved hvilke mesofasens geometri ændres. Hvis, for eksempel, blandingen indeholder 12 volumenprocent vand mesofasens struktur vil overgå ved cirka minus 15 grader Celsius fra en kubisk labyrint til en lamellær struktur.

Naturlig frostvæske til bakterier

"Det, der gør udviklingen af ​​disse lipider så vanskelig, er deres syntese og oprensning, "siger Ehud Landau, Professor i kemi ved universitetet i Zürich. Han forklarer, at det skyldes, at lipidmolekyler har to dele; en der er hydrofob (frastøder vand) og en der er hydrofil (tiltrækker vand). "Dette gør dem ekstremt vanskelige at arbejde med, " han siger.

Det bløde biomateriale dannet af lipidmembraner og vand har en kompleks struktur, der minimerer vandets kontakt med de hydrofobe dele og maksimerer dets grænseflade med de hydrofile dele.

Forskerne modellerede den nye klasse af lipider på membraner af visse bakterier. Disse bakterier producerer også en særlig klasse af selvsamlende lipider, der naturligt kan begrænse vand i deres indre, gør mikroorganismerne i stand til at overleve i meget kolde miljøer.

"Nyheden af ​​vores lipider er introduktionen af ​​stærkt belastede tremandsringe i specifikke positioner inden for de hydrofobe dele af molekylerne", siger Landau. "Disse gør det muligt for den nødvendige krumning at producere så små vandkanaler og forhindrer lipider i at krystallisere."

Blødt stof til forskning

Disse nye lipidiske mesofaser vil primært tjene som et redskab for andre forskere. De kan bruges til ikke-destruktivt at isolere, bevare og studere store biomolekyler i et membranlignende miljø, for eksempel ved hjælp af kryogen elektronmikroskopi. Biologer vender sig i stigende grad til denne metode for at bestemme strukturer og funktioner for store biomolekyler såsom proteiner eller store molekylære komplekser.

"I den normale fryseproces, når iskrystaller dannes, ødelægger og ødelægger de normalt membraner og afgørende store biomolekyler, som forhindrer os i at bestemme deres struktur og funktion, når de interagerer med lipidmembraner, "Siger Mezzenga.

Men ikke med den nye mesofase, som er ikke-destruktiv og bevarer sådanne molekyler i deres oprindelige tilstand og i nærvær af den anden centrale byggesten i livet, det er lipiderne. "Vores forskning baner vejen for fremtidige projekter for at bestemme, hvordan proteiner kan bevares i deres oprindelige form og interagere med lipidmembraner ved meget lave temperaturer, ”siger ETH -professoren.

Denne nye klasse blødt stof kan også anvendes i potentielle applikationer, hvor vandet skal forhindres i at fryse. "Men vores arbejde var ikke rettet mod eksotiske applikationer, "Mezzenga siger:" Vores hovedfokus var at give forskere et nyt værktøj til at lette studiet af molekylære strukturer ved lav temperatur uden isforstyrrende krystaller, og i sidste ende at forstå, hvordan to hovedkomponenter i livet, dvs. vand og lipider, interagere under ekstreme temperaturforhold og geometrisk indeslutning, tilføjer han.