Сделать кубики льда очень просто: берем обычный пластиковый лоток для кубиков льда, наполняем его водой и ставим в морозильник. Вскоре вода кристаллизуется и превращается в лед. Если проанализировать структуру кристаллов льда, мы увидим, что молекулы воды расположены в виде правильных решетчатых структур. В воде же, напротив, молекулы расположены не в строгом порядке, хоть и близко друг к другу: иначе вода не могла бы течь.
А что, если бы вода никогда не превращалась в лед? И возможно ли это?
«Стеклянная» вода
Группа физиков и химиков из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Цюрихского университета во главе с профессорами Раффаэле Мецценга (Raffaele Mezzenga) и Эхудом Ландау (Ehud Landau) нашла необычный способ, который мешает воде кристаллизоваться, сообщается на сайте ETH. При экстремальных минусовых температурах – даже при -263 градусах по Цельсию – вода сохраняет характеристики жидкости.
По порядку – о поиске нового метода. На первом этапе исследователи разработали и синтезировали новый класс липидов (молекул жира) для создания новой формы «мягкой» биологической субстанции, известной как липидная мезофаза. Мезофазой называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между жидкостью и твердым телом. Самый известный пример мезофазы – желатин. В этом материале липиды самопроизвольно собираются и объединяются, образуя мембраны, которые ведут себя так же, как молекулы натурального жира. Эти мембраны затем формируют сети соединенных каналов диаметром менее одного нанометра. Температура и количество воды, а также новая структура разработанных липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.
Затем воду смешали с липидной мезофазой. Используя жидкий гелий, исследователи смогли охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры -263 градуса по Цельсию (что всего на 10 градусов выше абсолютного «нуля»), и кристаллы льда не образовались. При этой температуре вода стала «стеклообразной», что исследователи смогли продемонстрировать и подтвердить при моделировании. В отличие от пластикового лотка для кубиков льда с крупными «лунками», в узких каналах липидной мезофазы нет места для образования кристаллов льда, поэтому вода остается беспорядочной даже при экстремальных минусовых температурах. Липиды тоже не замерзают. Результаты исследования этого необычного поведения воды, когда она заключена в липидную мезофазу, были описаны в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
«Ключевым фактором является соотношение липидов и воды», – объясняет профессор Раффаэле Мецценга из Лаборатории пищевых и мягких материалов в ETH Zurich. Соответственно, именно содержание воды в смеси определяет температуру, при которой изменяется геометрия мезофазы. Если, например, смесь содержит 12% воды, структура мезофазы будет переходить при температуре около -15 градусов Цельсия из кубической решетки в пластинчатую структуру.
Естественный «антифриз» для бактерий
«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка», – говорит Эхуд Ландау, профессор химии в Цюрихском университете. Так происходит потому, что молекулы липидов состоят из двух частей: одна является гидрофобной (отталкивает воду), а другая – гидрофильной (наоборот, притягивает воду). С ними чрезвычайно сложно работать, отмечает ученый.
Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными частями 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 количество воды в их внутреннем пространстве, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.
У нового класса тоже есть свой хитрый механизм. Новизна этих липидов заключается в том, что молекулы гидрофобных частей липидов образуют маленькие кольца, которые создают необходимую «кривизну» для образования крошечных водяных каналов и предотвращают кристаллизацию липидов.
Мягкая материя для исследований
Для чего понадобятся липидные мезофазы, которые не дают воде замерзнуть? Главным образом, они будут служить инструментом для других исследователей. Например, для биологов, которые изучают структуру и функции крупных биомолекул, таких как белки или крупные молекулярные комплексы. Обычно такие образцы помещают в быстро охлажденную воду, чтобы сохранить их и в дальнейшем изучить. Но как только они превращаются в ледяные кристаллы, разрушаются их мембраны и важные составляющие молекул.
Существует метод витрификации – «стеклования» живых клеток. В криобиологии этот термин используют для обозначения метода сверхбыстрого замораживания живых образцов. Криопротекторный раствор, в котором находятся живые объекты, не кристаллизуется при охлаждении, а переходит в стекловидное состояние. Этот метод активно используют при криоэлектронной микроскопии, которая помогает изучить структуры биомеолекул в растворах. Новый способ, который использует липидные мезофазы, может стать альтернативой при подобных исследованиях.
«Наше 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», – говорит профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
[Фото: Peter Rüegg / ETH Zurich]
