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

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

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

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.

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. Такая модель может помочь понять механизмы выживания клетки при низких температурах.

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 (L_α), обратная двунепрерывная кубическая (Q_II), обратная гексагональная (H_II), обратная мицеллярная (L₂).

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

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

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. Самым ярким свойством является способность удерживать стеклообразную воду при температурах вплоть до 10 К и при очень малых скоростях охлаждения.

Полиморфность липидов

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

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

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 1а): 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 (1с).

Судя по наблюдениям, гидратированный MLB имеет последовательность перехода, как у классических моноацилглицеринов (1b), в котором наблюдаются L_α, Q_II G и Q_II^D при повышении уровня гидратации. В отличие от MDS, H_II фаза присутствует в MLB при высокой температуре.

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

В случае липида DCPML учеными было замечено необычное явление — формирование кубической фазы Q_II^G при 22 °C при содержании воды всего лишь 5% (1с).

Предыдущие исследования показали, что формирование H_II чистыми гидратированными моноацилглицеринами возможно только при высоких температурах (выше комнатных). Стабильные H_II фазы при комнатных и физиологических температурах (≈ 36.6 °C) требуют применения гидрофобных молекул или наличия простого эфира, а не сложноэфирной связи.

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

Образец DCPML с 12,5% воды сначала постепенно охладили до -20 °C, а затем снова нагрели до 22 °C. В конце каждого этапа охлаждения и нагрева система была уравновешена, также были собраны данные МРР (2а).


Изображение №2

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

В итоге, ученые получили абсолютно стабильную кубическую фазу Q_II^G при минусовых температурах. 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.

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).

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

Также на графике 2b можно заметить небольшие пики при высоких температурах, которые соответствуют переходам между различными геометриями и соответствуют результатам МРР (1с). Отличия в температуре перехода на несколько градусов можно пояснить разной скоростью нагрева и, соответственно, разным временем уравновешивания. Конечно не стоит забывать и про погрешность (1.5%), зависимую от состава разных образцов.

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

Далее образцы охлаждали до -263 °С со скоростью 0,1 °С в минуту, уравновешивали и затем нагревали с той же скоростью. На изображениях 2с и 2d мы видим результаты FWS измерений во время нагрева, которые показывают отсутствие перехода первого порядка в DCPML с низким содержанием воды. Ученые выбрали образец с содержанием воды 7.5%, дабы обеспечить единую геометрию во всем диапазоне температур ниже нуля.

Профили FWS на графиках 2с и 2d не показывают никаких скачков в районе 0 °С, хоть и наблюдается повышение подвижности при температуре около -50 °C. 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 2с и 2d). DCPML при 15% воды в образце также показывает скачок, который соответствует таянию льда при температуре около -10 °C. Однако, судя по данным DSC, интенсивность переходов в таком случае значительно меньше, то есть лишь часть воды участвует в образовании льда. А отсутствие скачка для липид-липидного перехода подтверждает отсутствие кристаллической фазы L_c в DCPML.

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. Данные наблюдения еще раз подтверждают жидкокристаллическую природу пластинчатой фазы (L_α) и отсутствие кристаллического льда при низкой гидратации.

Напоследок ученые применили еще и ЯМР-спектроскопию для исследования подвижности воды и фазового поведения (2f). Для образца с 7,5% воды предел обнаружения был достигнут при 0 ° C, что указывает на коэффициент диффузии меньше 10^-11 м²/с. 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 (3а).

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 L_c даже при чрезвычайно низких температурах.

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

Если же степень гидратации повышать, то будет наблюдаться образование гексагонального льда. Наблюдения показали, что при гидратации 20% и охлаждении образца до -30 °C фаза Q_II^G стабильна в течение нескольких часов, при этом лед не обнаружен. Переход к фазе L_α происходит после инкубации образца в течение 1 часа в температурном режиме -40 °C, а вот тут уже наблюдается образование льда. При нагревании от −40 °C фаза L_α сохраняет стабильность вплоть до 0 °C. В промежутке -40 … -20 °C параметр решетки α показывает ожидаемое снижение (от 39.2 Å до 38.4 Å), типичное для мезофаз. Но уже в промежутке -20 … -10 °C ситуация противоположная: увеличение от 38.4 Å до 39.2 Å, что обычно связано с повышенной гидратацией липидного бислоя.

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


Изображение №4

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. Однако, они утверждают, что результаты их моделирования полностью согласуются с наблюдениями.

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

Исследователи отмечают, что при низкой гидратации система следует «стандартному» поведению, то есть переходит от кубической к пластинчатой структуре (4d). При охлаждении фаза Q_II^G переходит к L_α, демонстрируя внезапное снижение подвижности воды (4e). Меньшая мобильность означает, что системе требуется больше времени для уравновешивания. 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.

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!

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? 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? (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.

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. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?