Kan water min 263 graden Celsius bereiken zonder in ijs te veranderen? Ja het kan, zeggen onderzoekers van ETH Zürich en de Universiteit van Zürich, als het is opgesloten in lipidekanalen op nanometerschaal.

Het maken van ijsblokjes is een eenvoudig proces:je neemt een plastic ijsblokjesbakje zoals je dat in de meeste huishoudens aantreft, vul het met water en zet het in de vriezer. Het duurde niet lang, het water kristalliseert en verandert in ijs.

Als je de structuur van ijskristallen zou analyseren, je zou zien dat de watermoleculen zijn gerangschikt in regelmatige driedimensionale roosterstructuren. In water, daarentegen, de moleculen zijn ongeorganiseerd, dat is de reden dat het water stroomt.

Glasachtig water

Onder leiding van professoren Raffaele Mezzenga en Ehud Landau, een groep natuurkundigen en chemici van ETH Zürich en de Universiteit van Zürich hebben nu een ongebruikelijke manier gevonden om te voorkomen dat water ijskristallen vormt, dus zelfs bij extreme temperaturen onder nul behoudt het de amorfe eigenschappen van een vloeistof.

In een eerste stap, de onderzoekers ontwierpen en synthetiseerden een nieuwe klasse van lipiden (vetmoleculen) om een ​​nieuwe vorm van "zachte" biologische materie te creëren die bekend staat als een lipidische mesofase. In dit materiaal, de lipiden assembleren spontaan en aggregeren om membranen te vormen, zich op dezelfde manier gedragen als natuurlijke vetmoleculen. Deze membranen nemen vervolgens een uniforme opstelling aan om een ​​netwerk van verbonden kanalen te vormen met een diameter van minder dan één nanometer. Temperatuur en watergehalte, evenals de nieuwe structuur van de ontworpen lipidemoleculen bepalen de structuur die de lipidische mesofase aanneemt.

Geen ruimte voor waterkristallen

Het bijzondere aan deze constructie is dat er – anders dan bij een ijsblokjesbakje – in de smalle kanalen geen ruimte is voor water om ijskristallen te vormen, dus het blijft ongeordend, zelfs bij extreme temperaturen onder het vriespunt. De lipiden bevriezen ook niet.

Met behulp van vloeibaar helium, de onderzoekers waren in staat om een ​​lipidische mesofase bestaande uit een chemisch gemodificeerde monoacylglycerol af te koelen tot een temperatuur van minus 263 graden Celsius, die slechts 10 graden boven het absolute nulpunt ligt, en nog steeds geen ijskristallen gevormd. Bij deze temperatuur, het water werd "glazig", zoals de onderzoekers in een simulatie konden aantonen en bevestigen. Hun onderzoek naar dit ongewone gedrag van water wanneer het is opgesloten in een lipidische mesofase, werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"De belangrijkste factor is de verhouding van lipiden tot water, ", legt professor Raffaele Mezzenga van het laboratorium voor voedsel en zachte materialen aan de ETH Zürich uit. het is het watergehalte in het mengsel dat de temperaturen bepaalt waarbij de geometrie van de mesofase verandert. Indien, bijvoorbeeld, het mengsel bevat 12 volumeprocent water, de structuur van de mesofase zal bij ongeveer min 15 graden Celsius overgaan van een kubisch labyrint naar een lamellaire structuur.

Natuurlijke antivries voor bacteriën

"Wat het ontwikkelen van deze lipiden zo lastig maakt, is hun synthese en zuivering, " zegt Ehud Landau, Hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Zürich. Hij legt uit dat dit komt omdat lipidemoleculen uit twee delen bestaan; een die hydrofoob is (water afstoot) en een die hydrofiel is (water aantrekt). "Dit maakt ze extreem moeilijk om mee te werken, " hij zegt.

Het zachte biomateriaal gevormd uit de lipidemembranen en water heeft een complexe structuur die het contact van het water met de hydrofobe delen minimaliseert en het grensvlak met de hydrofiele delen maximaliseert.

De onderzoekers modelleerden de nieuwe klasse van lipiden op membranen van bepaalde bacteriën. Deze bacteriën produceren ook een speciale klasse van zelfassemblerende lipiden die van nature water in hun binnenste kunnen opsluiten, waardoor de micro-organismen kunnen overleven in zeer koude omgevingen.

"De nieuwigheid van onze lipiden is de introductie van sterk gespannen drieledige ringen op specifieke posities in de hydrofobe delen van de moleculen", zegt Landau. "Deze maken de noodzakelijke kromming mogelijk om zulke kleine waterkanalen te produceren en voorkomen dat lipiden kristalliseren."

Zachte materie voor onderzoek

Deze nieuwe lipidische mesofasen zullen vooral dienen als hulpmiddel voor andere onderzoekers. Ze kunnen worden gebruikt om niet-destructief te isoleren, conserveren en bestuderen van grote biomoleculen in een membraan-nabootsende omgeving, bijvoorbeeld met behulp van cryogene elektronenmicroscopie. Biologen maken steeds vaker gebruik van deze methode om de structuren en functies van grote biomoleculen zoals eiwitten of grote moleculaire complexen te bepalen.

"Bij het normale vriesproces, wanneer zich ijskristallen vormen, beschadigen en vernietigen ze meestal membranen en cruciale grote biomoleculen, waardoor we hun structuur en functie niet kunnen bepalen wanneer ze interageren met lipidemembranen, ' zegt Mezzenga.

Maar niet met de nieuwe mesofase, die niet-destructief is en dergelijke moleculen in hun oorspronkelijke staat en in aanwezigheid van de andere belangrijke bouwsteen van het leven bewaart, dat zijn de lipiden. "Ons onderzoek maakt de weg vrij voor toekomstige projecten om te bepalen hoe eiwitten in hun oorspronkelijke vorm kunnen worden bewaard en kunnen interageren met lipidemembranen bij zeer lage temperaturen, ", zegt de ETH-hoogleraar.

Deze nieuwe klasse van zachte materie kan ook worden gebruikt in potentiële toepassingen waar moet worden voorkomen dat water bevriest. "Maar ons werk was niet gericht op exotische toepassingen, " Mezzenga zegt:"Onze belangrijkste focus was om onderzoekers een nieuw hulpmiddel te geven om de studie van moleculaire structuren bij lage temperatuur te vergemakkelijken zonder ijs-verstorende kristallen, en uiteindelijk te begrijpen hoe twee hoofdcomponenten van het leven, d.w.z. water en lipiden, interageren onder extreme omstandigheden van temperatuur en geometrische opsluiting", voegt hij eraan toe.