Вода в окружении липидов не замерзла при -263 градусов Цельсия.

Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали систему, имитирующую положение воды в тесном окружении липидных мембран внутри живых клеток. Оказалось, что расположенная таикм образом вода не замерзает при температуре -263 градуса Цельсия. Эксперимент удалось провести благодаря созданию искусственных биомиметических полимеров, которые образуют сеть очень тонких каналов и сами не кристаллизуются при столь низких температурах. Об этом сообщаили авторы в статье "Soft biomimetic nanoconfinement promotes amorphous water over ice" в журнале Nature Nanotechnology (2019). Наиболее близкий посмыслу перевод названия статьи - "Биомиметическое наноразмерное ограничение приводит к появлению аморфной воды, а не льда".

Для справки:

Биомиметические наноматериалы или биомиметики (англ. biomimetic nanomaterials или biomimetics, bioinspired materials) — искусственные наноматериалы, имитирующие свойства биоматериалов или созданные на основе принципов, реализованных в живой природе.

Ранее было известно, что размещение воды в геометрически очень малых структурах, таких как тонкие каналы, может подавлять кристаллизацию воды, так как для образования льда молекулам необходимо выстроиться в шестиугольные структуры. В целом. вода в таких условиях ведет себя крайне необычно. Примером подобной ситуации являются молекулы воды внутри углеродных нанотрубок, где молекулы воды могут образовывать много разных уникальных форм "льда".

Изменение свойств воды при локализации в нано-структурах может играть ваэную роль в ряде физических, биологических и других процессов. Например, известно, что некоторые организмы способны выживать при отрицательных температурах, свадая в анабиоз. Есть мнение, что этот феномен может частично объясняться пониженной температурой кристаллизации в крайне малых внутриклеточных пространствах. Поэтому в этом направлении важно исследование воды в условиях, приближенных к ситуации внутри живых клеток, где множество органелл окружено липидными мембранами. Для этого необходимо получить искусственную систему мембран с узкими пространствами между ними.  

Для справки:

Кле́точная мембра́на — эластическая молекулярная структура толщиной не более 7-8 нм, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой. Внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки — компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды. Эти тончайшие плёнки, состоящие из двойного слоя молекул липидов и встроенных в этот слой белков. наряду с цитоскелетом формируют структуру живой клетки.

Ливия Манни (Livia Salvati Manni) и ее коллеги из Швейцарской высшей технической школы предложили способ синтеза подходящих органических соединений — модифицированных моноацилглицеролов. Авторы работы исследовали свойства их смеси с водой при экстремально низких температурах. В присутствии воды полученные липиды самоорганизовывались с образованием мембран подобно естественным жирам, так как противоположные концы их молекул обладают разными свойствами: с одной стороны они гидрофильны и стремятся прийти в контакт с водой, а с другой гидрофобны и избегают его. В результате формировалась однородная сеть пересекающихся каналов диаметром меньше нанометра.

Сечения созданных таким способом каналов было недостаточно для формирования льда, а сами липиды также не кристаллизовались. Авторы охлаждали систему жидким гелием до температуры в 10 К (-263 градуса Цельсия) и не обнаружили появления льда. Вместо этого вода переходила в необычное стеклоподобное (витрифицированное) состояние.

Конечно, сейчас. когда нанотехнологии только делают первые шаги. трудно предвидеть применения результатов фундаментальных исследований. Но авторы предполагают, в;частности, что в таких структурах можно запирать биомолекулы для исследования их поведения в ситуации, подобной тесным внутренностям клеток. В таком случае можно не опасаться появления кристаллов льда, которые часто повреждают молекулы и не позволяют их детально исследовать.

Относительно же применения данных результатов в крионике, в криоконсервации крупных биологических объектов ясности пока нет. Тем не менее. теперь ученые смогут при исследованиях в криобиологии учитывать возможность подобных эффектов.