Хабрахабр

Липидам холод нипочем: предотвращение кристаллизации воды при -263 °С

Что находится на вершине наших потребностей наряду с воздухом и едой? Чего больше всего на планете? Ответ прост — вода. Что по мнению одного бородатого анекдота роднит человека с огурцом? H2O обладает рядом химических и физических свойств, которые тем или иным образом применяются учеными разных направлений. Это химическое соединение играет центральную роль во многих макро- и микропроцессах: от климатических изменений до химического строения живых организмов. Еще с малых лет много из нас знают, что вода в нормальных условиях закипает при 100 °С и замерзает при температуре ниже 0 °С. Изменение определенных параметров приводит к появлению новых свойств или же изменению старых. И тут ученые решили это изменить.

Какие манипуляции были проведены для достижения этого, какими новыми свойствами и характеристиками стала обладать «вечно» жидкая вода и какова польза от сего исследования? Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученым удалось создать воду, незамерзающую даже при -263 °С. Поехали. Ответы будем искать в докладе исследовательской группы.

Основа исследования

В основе сего труда лежит процесс предотвращения кристаллизации воды при низких температурах. Для этого необходимо изменить геометрию воды, в чем может помочь так называемый «конфайнмент», то есть удержание. Этот механизм позволяет предотвратить низкотемпературную кристаллизацию молекул в гексагональную структуру, в результате чего получается аморфная вода. Подобное физическое удержание воды на нанометровом уровне ученые назвали наноконфайнментом. Проще сказать, чем сделать, но ученые не были бы учеными, если не обладали упорством и парой тузов в рукаве. В качестве тузов выступили искусственные липиды с циклопропильными модификациями в гидрофобных цепях, которые демонстрируют уникальное жидкокристаллическое поведение при низкой температуре. Эти липиды позволяют поддерживать аморфное состояние воды вплоть до -263 °С.

Такая модель может помочь понять механизмы выживания клетки при низких температурах. В качестве модели замкнутой воды в клеточной среде ученые выбрали конфайнмент внутри мягких интерфейсов, таких как образующиеся при самоорганизации поверхностно-активных веществ в водной среде.

Исследователи обращают наше внимание на то, что размерные эффекты проявляются в различных фазах, образованных гидратированными моноацилглицеролами*, при разных температурах и уровнях гидратации*.

Моноацилглицеролы* — класс глицеридов, которые состоят из молекулы глицерина, связанной с жирной кислотой через сложноэфирную (эстерную) связь.

Гидратация* — присоединение к молекулам или ионам молекул воды.

Моноацилглицеролы обладают полиморфизмом, то есть разной кристаллической структурой в зависимости от условий: пластинчатая (Lα), обратная двунепрерывная кубическая (QII), обратная гексагональная (HII), обратная мицеллярная (L2).

Если же температура опускается ниже нуля, то обнаруживается сосуществование пластинчатой фазы Lc и льда при всех уровнях гидратации. Проблема заключается в том, что это многообразие вариантов теряется при достижении температур ниже комнатных, когда общий класс липидов кристаллизуется в пластинчатую фазу (Lc), в которой липидные хвосты упаковываются в кристаллическую решетку дальнего порядка.

Не совсем. Получается, что использовать подобные липиды нельзя? В предыдущих исследованиях ученым успешно удалось заменить цис-двойную связь в середине липидной цепи моноолеина на циклопропильную группу. Липиды можно изменить так, чтобы можно было применить их положительные свойства, избежав нежелательных ограничений. В результате этой манипуляции получится новый липид — монодигидростеркулин (MDS), фазовое поведение которого показывает отсутствие обратной гексагональной фазы и стабильность фазы QIID при температурах до 4 °C.

Самым ярким свойством является способность удерживать стеклообразную воду при температурах вплоть до 10 К и при очень малых скоростях охлаждения. Взяв за основу вышеописанные наработки и теории, ученые представили собственное исследование, в котором описан новый тип липидов, образующих мезофазы с нестандартными свойствами при низкой температуре.

Полиморфность липидов

Для начала ученые поясняют определенные нюансы касательно липидного полиморфизма. В природе на данный момент существует очень ограниченное число липидов, которые могут формировать QII фазы.

Их молекулярная структура, определенная длина, кривизна, положение и степень ненасыщенности суммарно влияют на конечную мезофазу*. Липидные цепи обеспечивают фундаментальные элементы всех мезофаз.

Мезофаза* — состояние вещества между жидкостью и твердым телом.

Если заменить цис-двойную связь моноацилглицеролов цис-циклопропильным фрагментом, то кривизна цепи и длина липидов сократится изначальная, а вот фракционное уплотнение и боковое напряжение хвостов будут значительно изменены. А для изменения жесткости липидного хвоста необходимо изменить количество и положение циклопропильных групп, а также длины и кривизны гидрофобных цепей.

Ученые синтезировали во время исследования три липида (структуры показаны на ): монодигидростеркулин (MDS), циклопропанированный липид монолактобациллин (MLB) — аналог моновакцеина (MV) и DCPML — монолинолеина (ML).


Изображение №1

На графиках выше показаны результаты малоуглового рентгеновского рассеяния (МРР): фазовая диаграмма состава и температуры образца MLB (1b), фазовая диаграмма состава и температуры образца DCPML ().

В отличие от MDS, HII фаза присутствует в MLB при высокой температуре. Судя по наблюдениям, гидратированный MLB имеет последовательность перехода, как у классических моноацилглицеринов (1b), в котором наблюдаются Lα, QII G и QIID при повышении уровня гидратации.

Это наблюдение позволило определить граничную степень гидратации для обеих фаз путем анализа параметров решетки при каждом уровне гидратации. Удалось выяснить, что фаза HII и кубическая фаза QIID сохраняют стабильность в избытке воды.

В случае липида DCPML учеными было замечено необычное явление — формирование кубической фазы QIIG при 22 °C при содержании воды всего лишь 5% ().

Стабильные HII фазы при комнатных и физиологических температурах (≈ 36. Предыдущие исследования показали, что формирование HII чистыми гидратированными моноацилглицеринами возможно только при высоких температурах (выше комнатных). 6 °C) требуют применения гидрофобных молекул или наличия простого эфира, а не сложноэфирной связи.

Образование фазы HII при комнатной температуре предполагает смещение фазовой диаграммы DCPML к более низким температурам и гидратации, что было подтверждено в данном исследовании.

В конце каждого этапа охлаждения и нагрева система была уравновешена, также были собраны данные МРР (). Образец DCPML с 12,5% воды сначала постепенно охладили до -20 °C, а затем снова нагрели до 22 °C.


Изображение №2

Также было выявлено формирование новой стабильной липидной кубической фазы при отрицательных температурах. Фазовый переход от Lα к QIIG происходит в температурном диапазоне −15…−10 °C во время процедур как нагрева, так и охлаждения. При нагревании происходит уменьшение радиуса водного канала фазы QIIG — от 8,4 Å при -10 °C до 7,8 Å при 22 °C.

Такое наблюдение противоречит общепринятым фактам, что липиды (например, моноолеин) образуют кубические фазы, которые кристаллизуются в пластинчатую кристаллическую фазу и лед при температуре ниже 0 °C. В итоге, ученые получили абсолютно стабильную кубическую фазу QIIG при минусовых температурах.

Свойства и поведение воды

Жидкокристаллическая природа DCPML при отрицательных температурах свидетельствует о нестандартных характеристиках воды, заключенной в наноканалах. Размером водных областей (плит или каналов) можно манипулировать путем изменения соотношение вода / липид. Переходы плавления изучались с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) измерений мезофаз при различных уровнях гидратации (2b).

То, что мы видим на графике 2b, было получено во время процесса второго нагрева. Образцы DCPML подвергались циклической термообработке (нагрев — охлаждение — нагрев) от −70 °C до 60 °C со скоростью сканирования 5 °C в минуту. Если же гидратация увеличивается, то этот пик начинает снижаться (15% воды), а потом и вовсе исчезает (5% и 10% воды). При концентрации воды в образце 20 и 25% виден пик таяния льда при 0 °C, что характерно для чистой воды (без добавления липидов). Вывод достаточно очевиден — конфайнмент в фазах Lα и QIIG при низком уровне гидратации предотвращает кристаллизацию воды при рассматриваемой скорости охлаждения.

Отличия в температуре перехода на несколько градусов можно пояснить разной скоростью нагрева и, соответственно, разным временем уравновешивания. Также на графике 2b можно заметить небольшие пики при высоких температурах, которые соответствуют переходам между различными геометриями и соответствуют результатам МРР (). 5%), зависимую от состава разных образцов. Конечно не стоит забывать и про погрешность (1.

Это говорит о том, что конфайнмент сам по себе не может предотвратить кристаллизацию, а работает в содружестве с жидкокристаллическим поведением липидов для достижения этого. Ученые отмечают, что в ML при температурах до -60 °C присутствует образование льда, тогда как в DCPML сохраняется аморфное состояние.

На изображениях и 2d мы видим результаты FWS измерений во время нагрева, которые показывают отсутствие перехода первого порядка в DCPML с низким содержанием воды. Далее образцы охлаждали до -263 °С со скоростью 0,1 °С в минуту, уравновешивали и затем нагревали с той же скоростью. 5%, дабы обеспечить единую геометрию во всем диапазоне температур ниже нуля. Ученые выбрали образец с содержанием воды 7.

Ученые отмечают, что полученная из коммерческого ML вместо DCPML мезофаза с такой же топологией и содержанием воды демонстрирует плавление при температуре около -10 °C (пики на вставках на и 2d). Профили FWS на графиках и 2d не показывают никаких скачков в районе 0 °С, хоть и наблюдается повышение подвижности при температуре около -50 °C. Однако, судя по данным DSC, интенсивность переходов в таком случае значительно меньше, то есть лишь часть воды участвует в образовании льда. DCPML при 15% воды в образце также показывает скачок, который соответствует таянию льда при температуре около -10 °C. А отсутствие скачка для липид-липидного перехода подтверждает отсутствие кристаллической фазы Lc в DCPML.

Данные наблюдения еще раз подтверждают жидкокристаллическую природу пластинчатой фазы (Lα) и отсутствие кристаллического льда при низкой гидратации. Эксперименты с применением широкоугольной рентгеновской дифракции (WAXS) при низких температурах показали гексагональную структуру льда в образцах с гидратацией 20% и 25 (2e), а также отсутствие кристаллизации в области WAXS для других образцов.

Для образца с 7,5% воды предел обнаружения был достигнут при 0 ° C, что указывает на коэффициент диффузии меньше 10-11 м2/с. Напоследок ученые применили еще и ЯМР-спектроскопию для исследования подвижности воды и фазового поведения (2f). А для образца с 10% диффузия наблюдалась до -11 °С.

Таким образом, квазилинейная зависимость диффузии от температуры подтверждает жидкое состояние воды в рассматриваемом температурном диапазоне, а дополнительные сведения, полученные от FWS и DSC анализов, подтверждает переход воды из жидкого в стеклообразное состояние при низких температурах.


Изображение №3

Ученые объединили все собранные данные и смогли составить фазовую диаграмму воды, заключенной в мезофазах DCPML ().

Стоит отметить, что наблюдаемые процессы и характеристики тесно связаны с особенностями, которые отличают DCPML от всех других известных моноацилглицеринов, а именно с общим сдвигом фазовых переходов в сторону более низких температур и гидратации, а также с отсутствием Lc даже при чрезвычайно низких температурах.

При гидратации наблюдается обратный переход Lα → QIIG → Lα в диапазоне температур от -10 °C до 0 °C. На изображении 3b показаны результаты МРР измерений липидной геометрии, наложенные поверх фазовой диаграммы воды (). А при понижении гидратации во время охлаждения комбинация липидного беспорядка и геометрического ограничения фазы Lα предотвращает образование льда при любой температуре. Занятно, что присутствие жидкой воды при минусовых температурах связано со стабильностью кубической фазы QIIG.

Наблюдения показали, что при гидратации 20% и охлаждении образца до -30 °C фаза QIIG стабильна в течение нескольких часов, при этом лед не обнаружен. Если же степень гидратации повышать, то будет наблюдаться образование гексагонального льда. При нагревании от −40 °C фаза Lα сохраняет стабильность вплоть до 0 °C. Переход к фазе Lα происходит после инкубации образца в течение 1 часа в температурном режиме -40 °C, а вот тут уже наблюдается образование льда. 2 Å до 38. В промежутке -40 … -20 °C параметр решетки α показывает ожидаемое снижение (от 39. Но уже в промежутке -20 … -10 °C ситуация противоположная: увеличение от 38. 4 Å), типичное для мезофаз. 2 Å, что обычно связано с повышенной гидратацией липидного бислоя. 4 Å до 39.

В дополнение ко всем наблюдениям, измерениям и различным методикам сканирования, ученые использовали еще и молекулярно-динамическое моделирование, дабы подтвердить результаты исследования.


Изображение №4

Однако, они утверждают, что результаты их моделирования полностью согласуются с наблюдениями. Исследователи прекрасно понимают, что результаты подобного моделирования сильно зависят от целой совокупности переменных: взаимодействие между молекулами воды и липидов, липид-липидный переход, порог перехода к стеклообразному состоянию и т.д.

В центре мы видим стартовую конфигурацию, которая частично заполнена льдом (белые сферы) и водой в жидком виде (синие сферы). На изображении показана молекулярно-динамическая модель по температуре плавления пластинчатой мезофазы при 54,3% гидратации. А справа — выше точки плавления. Слева показана окончательная конфигурация ниже точки плавления. Изображения 4b это презентация воды, заключенной в кубическую фазу QIIG при гидратации 54,3%, для начальной (в центре) и конечной конфигурации ниже (слева) и выше (справа) температуры плавления. Верхний ряд — система без участия липидов, нижний — с липидами (оранжевые сферы). В свою очередь график показывает временную эволюцию воды выше (красная линия) и ниже (черная линия) точки плавления.

При охлаждении фаза QIIG переходит к Lα, демонстрируя внезапное снижение подвижности воды (4e). Исследователи отмечают, что при низкой гидратации система следует «стандартному» поведению, то есть переходит от кубической к пластинчатой структуре (4d). В этом режиме процесс охлаждения пересекает линию плавления после того, как диффузия уже затруднена, то есть до кристаллизации воды, в результате чего мы наблюдаем стеклообразную воду. Меньшая мобильность означает, что системе требуется больше времени для уравновешивания.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Ученые привыкли расширять границы нашего мировоззрения, понимания различных процессов и явлений. Некоторые исследования становятся отправной точкой будущих технологий и новых открытий, а некоторые — просто пищей для любознательности. Сегодняшнее относится к первой категории. Понимание поведения двух самых важных элементов жизни (воды и липидов) при экстремально низких температурах может помочь в разработке новых методов диагностики и анализа биоматериалов, которые сложно или даже невозможно анализировать в комнатных температурах ввиду их нестабильности. Также ученые говорят о перспективе изменения живых клеток, то есть модификации их к нормальному функционированию в условиях очень низких температур. Другими словами, если рассматривать гипопсихропланеты (−50 °C и ниже) и психропланеты (−50 до 0 °C) в качестве возможных вариантов для колонизации, то данное исследование это маленький шажок на пути к этому.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята!

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до лета бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть