När biologiskt material (celler, blod, vävnader) är fryst, kryoskyddsmedel används för att förhindra skador i samband med bildandet av is under frysningsprocessen. Nya polymera kryoskyddsmedel dyker upp, tillsammans med de etablerade kryoskyddsmedlen, men exakt hur de lyckas kontrollera isbildning och tillväxt är fortfarande i stort sett okänt. Detta gäller särskilt för PVA, en bedrägligt enkel syntetisk polymer som interagerar med is med hjälp av mekanismer som nu har avslöjats på atomistisk nivå tack vare forskare från University of Warwick.

Kryoskyddsmedel är avgörande vid frysning av biologiskt material för att minska cellskadorna som är involverade i bildandet av is. Is omkristallisation, det är den process genom vilken större iskristaller växer på bekostnad av mindre, är en av de stora frågorna som påverkar de nuvarande kryokonserveringsprotokollen och det är fortfarande dåligt förstådd. Forskare från University of Warwick har undersökt hur en ganska populär polymer med potential att användas i kryokonservering binder till de växande iskristallerna.

I tidningen, med titeln "De atomistiska detaljerna i den isrekristallisationshämmande aktiviteten hos PVA, " publicerad i tidskriften Naturkommunikation , forskare från University of Warwick har funnit att, i motsats till den framväxande konsensus, kortare eller längre polymerkedjor av poly(vinyl)alkohol (PVA) binder alla till is.

Tills nu, samhället har arbetat under antagandet att korta polymerer inte binder tillräckligt starkt till iskristallerna, men i detta arbete har Dr. Sosso och medarbetare visat att det är den subtila balansen mellan dessa bindningsinteraktioner och den effektiva volymen som upptas av polymererna vid gränsytan mot is som avgör deras effektivitet när det gäller att hindra isomkristallisering.

Detta arbete sammanför experimentella mätningar av isrekristallisationsinhibering och datorsimuleringar. De senare är ovärderliga verktyg för att få mikroskopisk insikt i processer som bildandet av is, eftersom de kan se vad som händer i mycket snabba eller mycket små processer som är svåra att se även via de mest avancerade experimentella teknikerna.

Detta arbete kastar nytt ljus över de grundläggande principerna i hjärtat av isomkristallisering, pekar ut designprinciper som direkt kan utnyttjas för att designa nästa generation av kryoskyddsmedel. Denna prestation är ett bevis på styrkan hos det som kärleksfullt är känt som "Team Ice" på Warwick, ett ständigt växande samarbetsnätverk med potential att göra en enorm inverkan på många aspekter av isbildning, från atmosfärsvetenskap till medicinsk kemi.

Fabienne Bachtiger, en Ph.D. student som arbetar i forskargruppen för Dr. Sosso (Kemiska institutionen) som har lett detta arbete, förklarar:

"Vi har funnit att även ganska korta kedjor av PVA, som bara innehåller tio polymerenheter, binder till is, och att små blocksampolymerer av PVA binder också. Det är viktigt för experimentsamhället att veta detta, eftersom de hittills har arbetat under olika antaganden. Faktiskt, det betyder att vi framgångsrikt kan använda mycket mindre polymerer än vi tidigare trott. Detta är avgörande information för att hjälpa utvecklingen av nya mer aktiva kryoskyddsmedel."

Dr Gabriele Sosso, från Institutionen för kemi vid University of Warwick, som leder en betydande beräkningsansträngning för att undersöka bildandet av is i biologisk materia, säger, "Med detta bidrag har vi lagt till en avgörande bit till pusslet om hur exakt polymera kryoskyddsmedel interagerar med växande iskristaller. Detta är en del av en större mängd beräknings- och teoretiskt arbete som min grupp driver med avsikten att förstå hur kryoskyddsmedel fungerar vid den molekylära nivån, för att identifiera designprinciper som kan undersökas direkt av våra experimentella kollegor. Warwick är den perfekta platsen för att främja vår förståelse av is, och det här arbetet visar effekten av det mycket spännande samarbetet mellan min forskargrupp och Gibson Group."

Professor Matthew Gibson, från Department of Chemistry och Warwick Medical School vid University of Warwick, säger, "Is omkristallisering är en verklig utmaning inom kryobiologi, leder till skador på celler men också i frysta livsmedel eller infrastruktur. Att förstå hur även denna "enkla" polymer fungerar för att kontrollera omkristallisering av is är ett stort steg framåt för att upptäcka nya kryoskyddsmedel, och i slutändan att använda dem i den verkliga världen."