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Por: Peter Rüegg
A água pode atingir menos 263 graus Celsius sem se transformar em gelo? Sim, pode dizer, dizem pesquisadores da ETH Zurich e da Universidade de Zurique, se ela está confinada em canais lipídicos em escala nanométrica.
Cortesia ETH: Fazer cubos de gelo é um processo simples: você pega uma bandeja de cubos de gelo de plástico como na maioria das casas, enche com água e coloca no congelador. Em pouco tempo, a água se cristaliza e se transforma em gelo.
Se você fosse analisar a estrutura dos cristais de gelo, veria que as moléculas de água estão organizadas em estruturas reticulares tridimensionais regulares. Na água, em contraste, as moléculas são desorganizadas, razão pela qual a água flui.
Água vítrea
Liderados pelos professores Raffaele Mezzenga e Ehud Landau, um grupo de físicos e químicos do ETH Zurich e da Universidade de Zurique identificaram uma maneira incomum de evitar que a água formasse cristais de gelo, de modo que mesmo em temperaturas abaixo de zero retém as características amorfas. de um líquido.
Em um primeiro passo, os pesquisadores projetaram e sintetizaram uma nova classe de lipídios (moléculas de gordura) para criar uma nova forma de matéria biológica “mole”, conhecida como mesofase lipídica. Nesse material, os lipídios espontaneamente se auto-montam e se agregam para formar membranas, comportando-se de maneira semelhante às moléculas de gordura natural. Essas membranas então adotam um arranjo uniforme para formar uma rede de canais conectados que medem menos de um nanômetro de diâmetro. A temperatura e o teor de água, assim como a nova estrutura das moléculas lipídicas projetadas determinam a estrutura que a mesofase lipídica assume.
Não há espaço para cristais de água
O que há de tão especial nessa estrutura é que – ao contrário de uma bandeja de cubos de gelo – não há espaço nos canais estreitos de água para formar cristais de gelo, por isso permanece desordenada mesmo em temperaturas sub-zero extremas. Os lipídios não congelam também.
Usando hélio líquido, os pesquisadores conseguiram resfriar uma mesofase lipídica que consistia de um monoacilglicerol quimicamente modificado a uma temperatura tão baixa quanto 263 graus Celsius negativos, o que é apenas 10 graus acima da temperatura zero absoluta, e ainda não se formaram cristais de gelo. A essa temperatura, a água tornou-se “vítrea”, como os pesquisadores conseguiram demonstrar e confirmar em uma simulação. Seu estudo deste comportamento incomum da água quando confinado dentro de uma mesofase lipídica foi publicado recentemente na revista Nature Nanotechnology.
“O fator chave é a proporção de lipídios para a água”, explica o professor Raffaele Mezzenga, do Laboratório de Alimentos e Materiais Suaves da ETH Zurich. Consequentemente, é o teor de água na mistura que determina as temperaturas nas quais a geometria da mesofase muda. Se, por exemplo, a mistura contiver 12 por cento de água por volume, a estrutura da mesofase terá uma transição de cerca de menos 15 graus Celsius de um labirinto cúbico para uma estrutura lamelar.
Anticongelantes naturais para bactérias
“O que torna o desenvolvimento desses lipídios tão complicado é sua síntese e purificação”, diz Ehud Landau, professor de Química da Universidade de Zurique. Ele explica que isso ocorre porque as moléculas lipídicas têm duas partes; um que é hidrofóbico (repele a água) e um que é hidrofílico (atrai a água). “Isso os torna extremamente difíceis de trabalhar”, diz ele.
O biomaterial macio formado a partir das membranas lipídicas e da água possui uma estrutura complexa que minimiza o contato da água com as partes hidrofóbicas e maximiza sua interface com as partes hidrofílicas.
Os pesquisadores modelaram a nova classe de lipídios nas membranas de certas bactérias. Essas bactérias também produzem uma classe especial de lipídios de auto-montagem que podem naturalmente confinar a água em seu interior, permitindo que os microrganismos sobrevivam em ambientes muito frios.
“A novidade dos nossos lipídios é a introdução de anéis de três membros altamente tensionados em posições específicas dentro das partes hidrofóbicas das moléculas”, diz Landau. “Isso permite que a curvatura necessária produza canais minúsculos de água e evite a cristalização dos lipídios.”
Matéria mole para pesquisa
Estas novas mesofases lipídicas servirão principalmente como uma ferramenta para outros pesquisadores. Eles podem ser utilizados para isolar, preservar e estudar não destrutivamente grandes biomoléculas em um ambiente de imitação de membrana, por exemplo, usando microscopia eletrônica criogênica. Os biólogos estão recorrendo cada vez mais a esse método para determinar as estruturas e funções de grandes biomoléculas, como proteínas ou grandes complexos moleculares.
“No processo de congelamento normal, quando cristais de gelo se formam eles geralmente danificam membranas e grandes biomoléculas cruciais, o que nos impede de determinar sua estrutura e função quando interagem com as membranas lipídicas ”, diz Mezzenga.
Mas não com a nova mesofase, que é não-destrutiva e preserva tais moléculas em seu estado original e na presença do outro elemento-chave da vida, ou seja, os lipídios. “Nossa pesquisa está preparando o caminho para futuros projetos para determinar como as proteínas podem ser preservadas em sua forma original e interagir com membranas lipídicas a temperaturas muito baixas”, diz o professor da ETH.
Esta nova classe de matéria macia também pode ser empregada em aplicações potenciais onde a água deve ser impedida de congelar. “Mas nosso trabalho não tinha como objetivo aplicações exóticas”, diz Mezzenga: “Nosso foco principal era dar aos pesquisadores uma nova ferramenta para facilitar o estudo de estruturas moleculares em baixa temperatura sem cristais que interferem no gelo e, finalmente, entender como duas componentes da vida, ou seja, água e lipídios, interagem sob condições extremas de temperatura e confinamento geométrico ”, acrescenta.
Referência
Salvati Manni L, S de Assenza, M de Duss, Vallooran JJ, Juranyi F, Jurt S, Zerbe O, Landau EM, Mezzenga R. Nanoconfinement biomimético macio promove água amorfa em cima de gelo. Nanotecnologia da natureza. Publicado: 08.abril 2019. doi: 10.1038 / s41565-019-0415-0
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