Вода в нанометровых каналах, которая никогда не замерзнет
Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями
Может ли вода достичь минус 263 градусов по Цельсию и не превратиться в лед? Да, может, говорят исследователи из ETHZ (Швейцарской высшей технической школы Цюриха) и Университета Цюриха, если она ограничена липидными каналами нанометрового размера.
Изготовление кубиков льда - это простой процесс: необходимо взять пластиковый лоток, который можно найти почти в каждом хозяйстве, наполнить его водой и поместить в морозильник. Вскоре вода кристаллизуется и превратится в лед.
Если проанализировать структуру кристаллов льда, можно увидеть, что молекулы воды расположены в виде правильных трехмерных решетчатых структур. В жидкой воде, напротив, молекулы не организованы, что служит причиной ее текучести.
Стекловидная вода
Исследователи выявили необычный способ предотвращения образования кристаллов льда в воде и добились того, что даже при экстремальных минусовых температурах она сохраняет аморфную форму, характерную для ее жидкого состояния.
На первом этапе был разработан и синтезирован новый класс липидов (молекул жира) для создания новой формы «мягкой» биологической субстанции, известной как липидная мезофаза. В этом материале липиды самопроизвольно собираются и агрегируют, образуя мембраны, ведущие себя так же, как молекулы натурального жира.
Эти мембраны затем принимают равномерное расположение для формирования сети связанных каналов, имеющих диаметр менее одного нанометра. Температура и количество воды, а также новая конструкция липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.
Для кристаллов воды не хватает места
Особенностью является то, что, в отличие от лотка для кубиков, в узких каналах липидной структуры нет места для формирования ледяных кристаллов, поэтому она остается текучей даже при экстремальных минусовых температурах. Сами липиды также не замерзают.
Используя жидкий гелий, исследователи смогли охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры минус 263 градуса по Цельсию, что всего на 10 градусов выше абсолютной нулевой температуры, и при этом кристаллы льда не сформировались.
При этой температуре вода стала похожей на жидкое стекло. Исследование необычного поведения воды опубликовано в журнале Nature Nanotechnology [1].
«Ключевым фактором стало соотношение количества липидов и воды». Именно содержание воды в смеси определяет температуры, при которых изменяется геометрия мезофазы. Если, например, смесь содержит 12 процентов воды по объему, то при температуре около минус 15 °С структура мезофазы будет меняться от кубического лабиринта к пластинчатой структуре.
Натуральный «антифриз» для бактерий
«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка». Потому что молекулы липидов состоят из двух частей: гидрофобной, отталкивающей воду, и гидрофильный, притягивающей ее. «Это создает чрезвычайные сложности при работе с ними».
Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями.
Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий. Эти бактерии также вырабатывают особый класс самоорганизующихся липидов, которые могут естественным образом ограничивать воду внутри себя, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.
«Новизна 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 воды».
Сохраняя целостность мембран
Эти новые липидные мезофазы главным образом будут служить инструментом для других исследователей. Их можно использовать для неразрушающей изоляции, сохранения и исследования больших биомолекул в среде, имитирующей мембрану, например, с помощью криогенной электронной микроскопии. Биологи все чаще обращаются к этому методу для определения структур и функций крупных биомолекул, таких как белки или крупные молекулярные комплексы.
«В обычном процессе замораживания, когда образуются ледяные кристаллы, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные биомолекулы».
Но этого не будет происходить с новой мезофазой, способной сохранить такие молекулы в их первоначальном состоянии и в присутствии другого ключевого строительного блока, то есть липидов.
«Исследование прокладывает путь для будущих проектов, чтобы определить, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах».
Ссылки:
1. https://doi.org/10.1038/s41565-019-0415-0
Источник: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
