Las terapias celulares son muy prometedoras para revolucionar el tratamiento de cánceres y enfermedades autoinmunes. Pero esta industria multimillonaria requiere el almacenamiento a largo plazo de células en condiciones criogénicas muy frías, al tiempo que se asegura de que seguirán funcionando después de descongelarse. Sin embargo, estas frías temperaturas desencadenan la formación y el crecimiento de hielo, que puede perforar y desgarrar las células. Investigación publicada en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense por los químicos de la Universidad de Utah Pavithra Naullage y Valeria Molinero proporciona la base para diseñar polímeros eficientes que pueden prevenir el crecimiento de hielo que daña las células.

Anticongelante de la naturaleza

Las estrategias actuales para criopreservar células y órganos implican bañarlos con grandes cantidades de dimetilsulfóxido, una sustancia química tóxica que estropea la formación de hielo pero estresa las células, disminuyendo sus probabilidades de supervivencia.

Naturaleza, sin embargo, ha encontrado una forma de mantener vivos a los organismos en condiciones de frío extremo:proteínas anticongelantes. Pez, los insectos y otros organismos de sangre fría han desarrollado potentes glicoproteínas anticongelantes que se unen a los cristalitos de hielo y evitan que crezcan y dañen las células.

El área de crecimiento de las terapias basadas en células exige el desarrollo de potentes inhibidores de la recristalización del hielo que puedan competir en actividad con las glicoproteínas anticongelantes naturales, pero que no tengan el costo y la toxicidad del dimetilsulfóxido. Esta demanda ha impulsado la síntesis de polímeros que imitan la acción de las glicoproteínas anticongelantes. Pero el inhibidor de recristalización de hielo sintético más potente encontrado hasta la fecha, alcohol polivinílico (PVA), es órdenes de magnitud menos potente que las glicoproteínas naturales.

"Los esfuerzos para identificar inhibidores más fuertes para el crecimiento del hielo parecen haberse estancado, Dado que aún no existe una comprensión molecular de los factores que limitan la eficiencia de inhibición de la recristalización del hielo de los polímeros, "Dice Molinero.

Una variable de diseño de polímero oculta

¿Cómo evitan las moléculas que los cristales de hielo se agranden? Las moléculas que se unen fuertemente al hielo clavan su superficie, como piedras sobre una almohada, haciendo que el frente de hielo desarrolle una superficie curva alrededor de las moléculas. Esta curvatura desestabiliza el cristal de hielo, deteniendo su crecimiento. Las moléculas que permanecen unidas al hielo durante más tiempo del que se tarda en hacer crecer los cristales de hielo logran evitar un mayor crecimiento y recristalización.

Molinero y Naullage utilizaron simulaciones moleculares a gran escala para dilucidar los fundamentos moleculares de cómo la flexibilidad, la longitud y la funcionalización de los polímeros controlan su unión al hielo y su eficacia para prevenir el crecimiento del hielo. Su estudio muestra que el tiempo de unión de las moléculas en la superficie del hielo está controlado por la fuerza de su unión al hielo junto con la longitud del polímero y la rapidez con que se propagan en la superficie del hielo.

"Descubrimos que la eficiencia de los polímeros flexibles para detener el crecimiento del hielo está limitada por la lenta propagación de su unión al hielo, "Dice Molinero.

El estudio analiza los diversos factores que controlan la unión de los polímeros flexibles al hielo y que explican la brecha en la potencia del PVA y las glicoproteínas anticongelantes naturales. En una palabra, cada bloque de glicoproteínas anticongelantes se une más fuertemente al hielo que el PVA, y también se ven favorecidos por su estructura molecular secundaria que segrega los bloques de unión y no unión para permitir que se adhieran más rápidamente al hielo para detener su crecimiento.

"Hasta donde sabemos, Este trabajo es el primero en identificar el tiempo de propagación de la unión como una variable clave en el diseño de polímeros flexibles eficientes que se unen al hielo. ", Dice Naullage." Nuestro estudio prepara el escenario para el diseño de novo de polímeros flexibles que pueden alcanzar o incluso superar la eficiencia de las glicoproteínas anticongelantes y tener un impacto en la investigación biomédica ".