Липидные мембраны не дали воде замерзнуть при -263 градусах Цельсия

Ученые создали систему, имитирующую положение воды в тесном окружении мембран внутри живых клеток. Оказалось, что запертая в таких условиях вода не замерзает при температуре жидкого гелия. Эксперимент удалось провести благодаря получению искусственных биомиметических полимеров, которые образуют сеть очень тонких каналов и сами не кристаллизуются при столь низких температурах, сообщают авторы в журнале Nature Nanotechnology.

Свойства веществ на поверхности и в толще могут различаться. Это известно как в случае специфических материалов, таких как топологические изоляторы, так и для распространенных веществ, таких как вода. В частности, ученые уже выяснили, что стесненные условия, такие как тонкие каналы, могут подавлять кристаллизацию воды, так как для образования льда молекулам необходимо выстроиться в шестиугольные структуры. Примером подобной ситуации являются молекулы воды внутри углеродных нанотрубок.

Изменение свойств воды при локализации на наномасштабе может играть ключевую роль в ряде физических, геологических, химических и биологических процессов. В частности, известно, что некоторые организмы способны выживать при отрицательных температурах. Считается, что этот феномен может частично объясняться пониженной температурой кристаллизации в стесненных внутриклеточных пространствах. В этом контексте важно исследование воды в условиях, приближенных к ситуации внутри живых клеток, где множество органелл окружены липидными мембранами. Для этого необходимо получить искусственную систему мембран с узкими пространствами между ними.

Ливия Сальвати Манни (Livia Salvati Manni) и ее коллеги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха предложили способ синтеза подходящих органических соединений — модифицированных моноацилглицеролов. Авторы работы исследовали свойства их смеси с водой при экстремально низких температурах. Необходимым требованием к синтетическим липидам в таком случае является наличие устойчивой мезофазы, то есть состояния вещества с промежуточными свойствами между твердыми телом и жидкостью.

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.

Необычные свойства данной структуры начинали проявляться при заполнении водой и охлаждении, потому что сечения каналов было недостаточно для формирования льда, а сами липиды также не кристаллизовались. Авторы охлаждали систему жидким гелием до температуры в 10 кельвинов (-263 градуса Цельсия) и не обнаружили появления льда. Вместо этого вода переходила в необычное стеклоподобное состояние, что было подтверждено как измерениями, так и численным моделированием поведения молекул в таких условиях.

Авторы отмечают, что полученные результаты расширяют наше понимание взаимодействия двух основных компонентов жизни (воды и липидов) в экстремальных температурах и условиях локализации молекулярного масштаба. Авторы предполагают множество потенциальных применений полученных систем. В частности, 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.

Несмотря на пристальное изучение в течение долгого времени, до сих пор удается найти новые необычные фазы даже чистой воды. В частности, недавно ученые нашли стабильный лед низкой плотности, а также выделили три разновидности процесса замерзания. Поведению воды в стесненных условиях также посвящено немало работ. Например, исследователи выяснили, что выдавливание масла из пор может происходить четырьмя способами.