¿Puede el agua alcanzar menos 263 grados Celsius sin convertirse en hielo? Sí puede, dicen los investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Zurich, si está confinado en canales lipídicos a escala nanométrica.

Hacer cubitos de hielo es un proceso simple:se toma una bandeja de plástico para cubitos de hielo como la que se encuentra en la mayoría de los hogares, llénelo de agua y póngalo en el congelador. Pronto, el agua cristaliza y se convierte en hielo.

Si tuviera que analizar la estructura de los cristales de hielo, verías que las moléculas de agua están dispuestas en estructuras reticulares tridimensionales regulares. En agua, por el contrario, las moléculas están desorganizadas, que es la razón por la que fluye el agua.

Agua cristalina

Dirigido por los profesores Raffaele Mezzenga y Ehud Landau, un grupo de físicos y químicos de ETH Zurich y la Universidad de Zurich ahora han identificado una forma inusual de evitar que el agua forme cristales de hielo, por tanto, incluso a temperaturas extremas bajo cero, conserva las características amorfas de un líquido.

En un primer paso los investigadores diseñaron y sintetizaron una nueva clase de lípidos (moléculas de grasa) para crear una nueva forma de materia biológica "blanda" conocida como mesofase lipídica. En este material, los lípidos se autoensamblan y agregan espontáneamente para formar membranas, comportándose de manera similar a las moléculas de grasa natural. Estas membranas adoptan una disposición uniforme para formar una red de canales conectados que miden menos de un nanómetro de diámetro. Temperatura y contenido de agua, así como la estructura novedosa de las moléculas lipídicas diseñadas determinan la estructura que toma la mesofase lipídica.

No hay espacio para cristales de agua.

Lo que tiene de especial esta estructura es que, a diferencia de una bandeja para cubitos de hielo, no hay espacio en los canales estrechos para que el agua forme cristales de hielo. por lo que permanece desordenado incluso a temperaturas extremas bajo cero. Los lípidos tampoco se congelan.

Usando helio líquido, los investigadores pudieron enfriar una mesofase lipídica que consiste en un monoacilglicerol químicamente modificado a una temperatura tan baja como menos 263 grados Celsius, que es solo 10 grados por encima de la temperatura del cero absoluto, y todavía no se formaron cristales de hielo. A esta temperatura, el agua se volvió "vidriosa", como los investigadores pudieron demostrar y confirmar en una simulación. Su estudio de este comportamiento inusual del agua cuando está confinado dentro de una mesofase lipídica se publicó recientemente en la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

"El factor clave es la proporción de lípidos y agua, "explica el profesor Raffaele Mezzenga del Laboratorio de Alimentos y Materiales Blandos en ETH Zurich. En consecuencia, es el contenido de agua en la mezcla lo que determina las temperaturas a las que cambia la geometría de la mesofase. Si, por ejemplo, la mezcla contiene 12 por ciento de agua por volumen, la estructura de la mesofase pasará aproximadamente a menos 15 grados Celsius de un laberinto cúbico a una estructura laminar.

Anticongelante natural para bacterias

"Lo que hace que el desarrollo de estos lípidos sea tan complicado es su síntesis y purificación, "dice Ehud Landau, Catedrático de Química de la Universidad de Zúrich. Explica que esto se debe a que las moléculas de lípidos tienen dos partes; uno que es hidrofóbico (repele el agua) y uno que es hidrofílico (atrae el agua). "Esto hace que sea extremadamente difícil trabajar con ellos, " él dice.

El biomaterial blando formado a partir de las membranas lipídicas y el agua tiene una estructura compleja que minimiza el contacto del agua con las partes hidrofóbicas y maximiza su interfaz con las partes hidrofílicas.

Los investigadores modelaron la nueva clase de lípidos en las membranas de ciertas bacterias. Estas bacterias también producen una clase especial de lípidos autoensamblados que pueden confinar el agua de forma natural en su interior. permitiendo que los microorganismos sobrevivan en ambientes muy fríos.

"La novedad de nuestros lípidos es la introducción de anillos de tres miembros muy tensos en posiciones específicas dentro de las partes hidrofóbicas de las moléculas", dice Landau. "Estos permiten la curvatura necesaria para producir canales de agua tan diminutos y evitar que los lípidos cristalicen".

Materia blanda para la investigación

Estas nuevas mesofases lipídicas servirán principalmente como herramienta para otros investigadores. Se pueden utilizar para aislar de forma no destructiva, preservar y estudiar grandes biomoléculas en un entorno que imita la membrana, por ejemplo, utilizando microscopía electrónica criogénica. Los biólogos recurren cada vez más a este método para determinar las estructuras y funciones de grandes biomoléculas, como proteínas o grandes complejos moleculares.

"En el proceso de congelación normal, cuando se forman cristales de hielo, por lo general dañan y destruyen membranas y biomoléculas grandes cruciales, lo que nos impide determinar su estructura y función cuando interactúan con las membranas lipídicas, "Dice Mezzenga.

Pero no con la nueva mesofase, que no es destructivo y conserva dichas moléculas en su estado original y en presencia del otro componente clave de la vida, esos son los lípidos. "Nuestra investigación está allanando el camino para proyectos futuros para determinar cómo las proteínas podrían conservarse en su forma original e interactuar con las membranas lipídicas a temperaturas muy bajas". "dice el profesor de ETH.

Esta nueva clase de materia blanda también podría emplearse en aplicaciones potenciales donde se deba evitar que el agua se congele. "Pero nuestro trabajo no estaba dirigido a aplicaciones exóticas, Mezzenga dice:"Nuestro objetivo principal era dar a los investigadores una nueva herramienta para facilitar el estudio de estructuras moleculares a baja temperatura sin cristales que interfieran con el hielo". y, en última instancia, comprender cómo dos componentes principales de la vida, es decir, agua y lípidos, interactúan bajo condiciones extremas de temperatura y confinamiento geométrico ”, agrega.