Kan vatten nå minus 263 grader Celsius utan att förvandlas till is? Ja det kan det, säger forskare från ETH Zürich och universitetet i Zürich, om det är begränsat i nanometerskaliga lipidkanaler.

Att göra isbitar är en enkel process:du tar en isbitsbricka av plast som du hittar i de flesta hushåll, fyll den med vatten och lägg den i frysen. Inom kort, vattnet kristalliserar och förvandlas till is.

Om du skulle analysera strukturen av iskristaller, du skulle se att vattenmolekylerna är ordnade i vanliga 3-dimensionella gitterstrukturer. I vatten, däremot molekylerna är oorganiserade, vilket är anledningen till att vatten rinner.

Glasigt vatten

Leds av professorerna Raffaele Mezzenga och Ehud Landau, en grupp fysiker och kemister från ETH Zürich och universitetet i Zürich har nu identifierat ett ovanligt sätt att förhindra vatten från att bilda iskristaller, så även vid extrema minusgrader behåller den de amorfa egenskaperna hos en vätska.

I ett första steg, forskarna designade och syntetiserade en ny klass av lipider (fettmolekyler) för att skapa en ny form av "mjuk" biologisk substans känd som en lipidmesofas. I detta material, lipiderna självmonterar sig spontant och aggregerar för att bilda membran, beter sig på ett liknande sätt som naturliga fettmolekyler. Dessa membran antar sedan ett enhetligt arrangemang för att bilda ett nätverk av anslutna kanaler som mäter mindre än en nanometer i diameter. Temperatur och vattenhalt, såväl som den nya strukturen hos de designade lipidmolekylerna bestämmer strukturen som den lipidiska mesofasen tar.

Inget utrymme för vattenkristaller

Det som är så speciellt med den här strukturen är att det – till skillnad från i en iskubsbricka – inte finns plats i de smala kanalerna för vatten att bilda iskristaller, så det förblir oordnat även vid extrema minusgrader. Lipiderna fryser inte heller.

Använder flytande helium, forskarna kunde kyla en lipidmesofas bestående av en kemiskt modifierad monoacylglycerol till en temperatur så låg som minus 263 grader Celsius, vilket är bara 10 grader över den absoluta nolltemperaturen, och fortfarande bildades inga iskristaller. Vid denna temperatur, vattnet blev "glasigt", som forskarna kunde visa och bekräfta i en simulering. Deras studie av detta ovanliga beteende hos vatten när det är instängt i en lipidmesofas publicerades nyligen i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Nyckelfaktorn är förhållandet mellan lipider och vatten, " förklarar professor Raffaele Mezzenga från Laboratory of Food &Soft Materials vid ETH Zürich. Följaktligen, det är vattenhalten i blandningen som bestämmer vid vilka temperaturer mesofasens geometri förändras. Om, till exempel, blandningen innehåller 12 volymprocent vatten, strukturen av mesofasen kommer att övergå vid cirka minus 15 grader Celsius från en kubisk labyrint till en lamellstruktur.

Naturligt frostskyddsmedel för bakterier

"Det som gör det så svårt att utveckla dessa lipider är deras syntes och rening, säger Ehud Landau, Professor i kemi vid universitetet i Zürich. Han förklarar att det beror på att lipidmolekyler har två delar; en som är hydrofob (avvisar vatten) och en som är hydrofil (attraherar vatten). "Detta gör dem extremt svåra att arbeta med, " han säger.

Det mjuka biomaterialet som bildas av lipidmembranen och vattnet har en komplex struktur som minimerar vattnets kontakt med de hydrofoba delarna och maximerar dess gränssnitt med de hydrofila delarna.

Forskarna modellerade den nya klassen av lipider på membran av vissa bakterier. Dessa bakterier producerar också en speciell klass av självmonterande lipider som naturligt kan begränsa vatten i deras inre, gör det möjligt för mikroorganismerna att överleva i mycket kalla miljöer.

"Det nya med våra lipider är införandet av mycket ansträngda treledade ringar i specifika positioner inom de hydrofoba delarna av molekylerna", säger Landau. "Dessa möjliggör den nödvändiga krökningen för att producera sådana små vattenkanaler och förhindra lipider att kristallisera."

Mjuk materia för forskning

Dessa nya lipidmesofaser kommer främst att fungera som ett verktyg för andra forskare. De kan användas för att icke-destruktivt isolera, bevara och studera stora biomolekyler i en membranhärmande miljö, till exempel genom att använda kryogen elektronmikroskopi. Biologer vänder sig alltmer till denna metod för att bestämma strukturerna och funktionerna hos stora biomolekyler som proteiner eller stora molekylära komplex.

"I den normala frysprocessen, när iskristaller bildas skadar och förstör de vanligtvis membran och viktiga stora biomolekyler, som hindrar oss från att bestämma deras struktur och funktion när de interagerar med lipidmembran, " säger Mezzenga.

Men inte med den nya mesofasen, som är oförstörande och bevarar sådana molekyler i deras ursprungliga tillstånd och i närvaro av livets andra viktiga byggsten, det är lipiderna. "Vår forskning banar väg för framtida projekt för att fastställa hur proteiner kan bevaras i sin ursprungliga form och interagera med lipidmembran vid mycket låga temperaturer, säger ETH-professorn.

Denna nya klass av mjukt material skulle också kunna användas i potentiella tillämpningar där vatten måste förhindras från att frysa. "Men vårt arbete var inte inriktat på exotiska tillämpningar, " Mezzenga säger:"Vårt huvudfokus var att ge forskarna ett nytt verktyg för att underlätta studiet av molekylära strukturer vid låg temperatur utan isstörande kristaller, och i slutändan förstå hur två huvudkomponenter i livet, dvs vatten och lipider, interagera under extrema förhållanden av temperatur och geometrisk inneslutning", tillägger han.