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Por: Peter Rüegg
¿Puede el agua alcanzar menos 263 grados Celsius sin convertirse en hielo? puede, dicen los investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Zurich, si están confinados en canales de lípidos a escala nanométrica.
Cortesia ETH: Hacer cubitos de hielo es un proceso simple: toma una bandeja plástica de cubitos de hielo como la que encontraría en la mayoría de los hogares, llénela con agua y colóquela en el congelador. En poco tiempo, el agua se cristaliza y se convierte en hielo.
Si tuvieras que analizar la estructura de los cristales de hielo, verías que las moléculas de agua están dispuestas en estructuras de celosía tridimensionales regulares. En el agua, por el contrario, las moléculas no están organizadas, por lo que el agua fluye.
Agua vidriosa
Liderados por los profesores Raffaele Mezzenga y Ehud Landau, un grupo de físicos y químicos de ETH Zurich y la Universidad de Zurich han identificado una forma inusual de evitar que el agua forme cristales de hielo, por lo que incluso a temperaturas bajo cero, conserva las características amorfas. de un líquido.
En un primer paso, los investigadores diseñaron y sintetizaron una nueva clase de lípidos (moléculas de grasa) para crear una nueva forma de materia biológica «suave» conocida como mesofase lipídica. En este material, los lípidos se autoensamblan espontáneamente y se agregan para formar membranas, comportándose de manera similar a las moléculas de grasa natural. Estas membranas adoptan una disposición uniforme para formar una red de canales conectados que miden menos de un nanómetro de diámetro. La temperatura y el contenido de agua, así como la estructura novedosa de las moléculas lipídicas diseñadas, determinan la estructura que toma la mesofase lipídica.
No hay espacio para cristales de agua.
Lo que tiene de especial esta estructura es que, a diferencia de una bandeja de cubitos de hielo, no hay espacio en los canales estrechos para que el agua forme cristales de hielo, por lo que permanece desordenada incluso a temperaturas bajo cero. Los lípidos tampoco se congelan.
Usando helio líquido, los investigadores pudieron enfriar una mesofase lipídica que consiste en un monoacilglicerol modificado químicamente a una temperatura tan baja como menos 263 grados Celsius, que es apenas 10 grados por encima de la temperatura cero absoluta, y aún no se forman cristales de hielo. A esta temperatura, el agua se volvió «vítrea», ya que los investigadores pudieron demostrar y confirmar en una simulación. Su estudio de este comportamiento inusual del agua cuando se limita a una mesofase lipídica se publicó recientemente en la revista Nature Nanotechnology.
«El factor clave es la relación de lípidos a agua», explica la profesora Raffaele Mezzenga del Laboratorio de Alimentos y Materiales Blandos de ETH Zurich. En consecuencia, es el contenido de agua en la mezcla lo que determina las temperaturas a las que cambia la geometría de la mesofase. Si, por ejemplo, la mezcla contiene 12 por ciento de agua en volumen, la estructura de la mesofase pasará a menos 15 grados centígrados desde un laberinto cúbico a una estructura laminar.
Anticongelante natural para bacterias.
«Lo que hace que el desarrollo de estos lípidos sea tan difícil es su síntesis y purificación», dice Ehud Landau, profesor de química en la Universidad de Zurich. Explica que esto se debe a que las moléculas de lípidos tienen dos partes; uno que es hidrófobo (repele el agua) y uno que es hidrófilo (atrae el agua). «Esto hace que sea extremadamente difícil trabajar con ellos», dice.
El biomaterial blando formado a partir de las membranas lipídicas y el agua tiene una estructura compleja que minimiza el contacto del agua con las partes hidrófobas y maximiza su interfaz con las partes hidrófilas.
Los investigadores modelaron la nueva clase de lípidos en las membranas de ciertas bacterias. Estas bacterias también producen una clase especial de lípidos autoensamblables que, naturalmente, pueden confinar el agua en su interior, permitiendo que los microorganismos sobrevivan en ambientes muy fríos.
«La novedad de nuestros lípidos es la introducción de anillos de tres miembros altamente tensos en posiciones específicas dentro de las partes hidrófobas de las moléculas», dice Landau. «Estos permiten la curvatura necesaria para producir canales de agua tan pequeños y evitan que los lípidos se cristalicen».
Materia blanda para la investigación.
Estas nuevas mesofases lipídicas servirán principalmente como una herramienta para otros investigadores. Se pueden utilizar para aislar, preservar y estudiar de forma no destructiva grandes biomoléculas en un entorno que imita a la membrana, por ejemplo, mediante microscopía electrónica criogénica. Los biólogos están recurriendo cada vez más a este método para determinar las estructuras y funciones de las biomoléculas grandes, como las proteínas o los complejos moleculares grandes.
“En el proceso de congelación normal, cuando se forman cristales de hielo, generalmente dañan membranas y biomoléculas grandes cruciales, que nos impide determinar su estructura y función cuando interactúan con las membranas lipídicas», dice Mezzenga.
Pero no con la nueva mesofase, que no es destructiva y conserva dichas moléculas en su estado original y en presencia del otro bloque de construcción clave de la vida, es decir, los lípidos. «Nuestra investigación está allanando el camino para futuros proyectos para determinar cómo se pueden conservar las proteínas en su forma original e interactuar con las membranas lipídicas a temperaturas muy bajas», dice el profesor de ETH.
Esta nueva clase de materia blanda también podría emplearse en aplicaciones potenciales donde se debe evitar que el agua se congele. «Pero nuestro trabajo no estaba dirigido a aplicaciones exóticas», dice Mezzenga: «Nuestro objetivo principal era brindar a los investigadores una nueva herramienta para facilitar el estudio de estructuras moleculares a baja temperatura sin cristales que interfieran con el hielo, y en última instancia, comprender cómo dos principales Los componentes de la vida, es decir, el agua y los lípidos, interactúan en condiciones extremas de temperatura y confinamiento geométrico ”, agrega.
Referencia
Salvati Manni L, Assenza S, Duss M, Vallooran JJ, Juranyi F, Jurt S, Zerbe O, Landau EM, Mezzenga R. El nanoconfinamiento biomimético suave promueve el agua amorfa sobre el hielo. La nanotecnología de la naturaleza. Publicado: 08 de abril de 2019. doi: 10.1038 / s41565-019-0415-0
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