Wanneer biologisch materiaal (cellen, bloed, weefsels) is bevroren, cryoprotectanten worden gebruikt om de schade te voorkomen die gepaard gaat met de vorming van ijs tijdens het bevriezingsproces. Er komen nieuwe polymere cryoprotectanten op, naast de gevestigde cryoprotectanten, maar hoe ze de ijsvorming en -groei precies kunnen beheersen, is nog grotendeels onbekend. Dit geldt met name voor PVA, een bedrieglijk eenvoudig synthetisch polymeer dat een interactie aangaat met ijs door middel van mechanismen die nu op atomistisch niveau zijn onthuld dankzij onderzoekers van de Universiteit van Warwick.

Cryoprotectanten zijn cruciaal bij het invriezen van biologisch materiaal om de cellulaire schade die gepaard gaat met de vorming van ijs te verminderen. IJs herkristallisatie, dat is het proces waarbij grotere ijskristallen groeien ten koste van kleinere, is een van de belangrijkste problemen die van invloed zijn op de huidige cryopreservatieprotocollen en wordt nog steeds slecht begrepen. Onderzoekers van de Universiteit van Warwick hebben onderzocht hoe een vrij populair polymeer dat kan worden gebruikt bij cryopreservatie zich bindt aan de groeiende ijskristallen.

In de krant, getiteld "De atomistische details van de remmingsactiviteit van ijsherkristallisatie van PVA, " gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , onderzoekers van de Universiteit van Warwick hebben ontdekt dat, in tegenstelling tot de opkomende consensus, kortere of langere polymere ketens van poly(vinyl)alcohol (PVA) binden allemaal aan ijs.

Tot nu toe, de gemeenschap werkt in de veronderstelling dat korte polymeren niet sterk genoeg binden aan de ijskristallen, maar in dit werk hebben Dr. Sosso en collega's aangetoond dat het de subtiele balans tussen deze bindingsinteracties en het effectieve volume ingenomen door de polymeren op het grensvlak met ijs, bepalend is voor hun effectiviteit bij het belemmeren van de herkristallisatie van ijs.

Dit werk brengt experimentele metingen van remming van ijsherkristallisatie en computersimulaties samen. Deze laatste zijn van onschatbare waarde om microscopisch inzicht te krijgen in processen zoals ijsvorming, omdat ze kunnen zien wat er gebeurt in zeer snelle of zeer kleine processen die zelfs met de meest geavanceerde experimentele technieken moeilijk te zien zijn.

Dit werk werpt een nieuw licht op de fundamentele principes die ten grondslag liggen aan de herkristallisatie van ijs, ontwerpprincipes aanwijzen die direct kunnen worden gebruikt om de volgende generatie cryoprotectanten te ontwerpen. Deze prestatie is een bewijs van de kracht van wat liefkozend bekend staat als 'Team Ice' in Warwick, een steeds groter wordend samenwerkingsnetwerk met het potentieel om een ​​enorme impact te hebben op vele aspecten van ijsvorming, van atmosferische wetenschap tot medicinale chemie.

Fabienne Bachtiger, een doctoraat student werkzaam in de onderzoeksgroep van Dr. Sosso (Departement Chemie) die dit werk heeft geleid, verklaart:

"We hebben geconstateerd dat zelfs vrij korte ketens van PVA, met slechts tien polymere eenheden, binden aan ijs, en dat kleine blokcopolymeren van PVA ook binden. Het is belangrijk voor de experimentele gemeenschap om dit te weten, omdat ze tot nu toe onder verschillende veronderstellingen hebben gewerkt. In feite, hierdoor kunnen we met succes veel kleinere polymeren gebruiken dan eerder werd gedacht. Dit is cruciale informatie om de ontwikkeling van nieuwe, actievere cryoprotectanten te ondersteunen."

Dr. Gabriele Sosso, van de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Warwick, die een substantiële computationele inspanning leidt om de vorming van ijs in biologische materie te onderzoeken, zegt, "Met deze bijdrage hebben we een cruciaal stukje toegevoegd aan de puzzel van hoe polymere cryoprotectanten precies interageren met groeiende ijskristallen. Dit maakt deel uit van een grotere hoeveelheid computationeel en theoretisch werk dat mijn groep nastreeft met de bedoeling te begrijpen hoe cryoprotectanten werken bij het moleculaire niveau, om ontwerpprincipes te identificeren die direct kunnen worden onderzocht door onze experimentele collega's. Warwick is de perfecte plek om ons begrip van ijs te vergroten, en dit werk toont de impact van de zeer opwindende samenwerking tussen mijn onderzoeksgroep en de Gibson Group."

Professor Matthew Gibson, van de afdeling Scheikunde en de Warwick Medical School aan de Universiteit van Warwick, zegt, "Herkristallisatie van ijs is een echte uitdaging in de cryobiologie, leidend tot schade aan cellen, maar ook aan diepvriesproducten of infrastructuur. Begrijpen hoe zelfs dit 'eenvoudige' polymeer werkt om de herkristallisatie van ijs te beheersen, is een grote stap voorwaarts om nieuwe cryoprotectanten te ontdekken, en uiteindelijk om ze in de echte wereld te gebruiken."