Schunk

Nemrznoucí voda

Při nízké teplotě se běžné kapaliny obvykle mění v pevné látky. Švýcarští vědci ale vytvořili takovou kapalinu, která nezmrzne ani při extrémně nízké teplotě blízké fyzikální absolutní nule.

 

V běžných podmínkách jsou molekuly vody neorganizované, takže voda se chová jako řádná kapalina, tzn. teče. V případě, že její teplota klesne pod 0 °C se jejich struktura mění a voda se transformuje do podoby ledových krystalů, v nichž jsou molekuly uspořádány v pravidelných trojrozměrných mřížkových strukturách.
Vědci ze Spolkové vysoké technické školy v Curychu (ETH Zurich) a Univerzity v Curychu ovšem našli způsob, jak vodě zabránit v tvorbě ledových krystalů, aby si zachovala amorfní charakteristiky i za skutečně extrémních teplot. Trik, s kterým se nedávno pochlubili v časopise Nature Nanotechnology, spočívá v tom, že molekuly vody uzavřeli do tzv. lipidové mezofáze, kde jsou omezeny na lipidové kanály v nanometrovém měřítku. To nedává vodě prostor k vytvoření ledových krystalů a její molekuly zůstávají neuspořádané. Voda ani lipidy nemrznou ani při teplotách hluboko pod bodem mrazu. Takto upravená kapalina je schopna zůstat v kapalném stavu dokonce i při teplotách -263 °C, což je pouhých 10 °C nad hodnotou 0 stupňů na Kelvinově stupnici, kterou je označována tzv. absolutní nula (odpovídající -273 °C). V experimentu si to vědci ověřili pomocí kapalného hélia o zmíněné teplotě, kterým ochlazovali lipidovou mezofázu z chemicky modifikovaného monoacylglycerolu.

Sklovitá voda
Prvním krokem týmu fyziků a chemiků pod vedením profesorů Raffaela Mezzenga a Ehuda Landaua byl návrh a syntetizace zcela nové třídy lipidů (tukových molekul). Ten jim umožnil vytvořit „měkkou formu biologické hmoty“ v podobě lipidové mezifáze, materiálu, v němž se lipidy spontánně sestavují a agregují za vzniku membrán, jež se chovají jako přirozené tukové molekuly. Tyto membrány pak přijmou jednotné uspořádání pro vytvoření sítě mikroskopických kanálků. Tato struktura na rozdíl např. od klasického zásobníku na ledové kostky neponechává v úzkých kanálech s průměrem menším než jeden nanometr žádný prostor pro tvorbu ledových krystalů, takže voda ani lipidy nemrznou a voda získává sklovitou strukturu.
Novou třídu lipidů modelovali vědci na membránách některých bakterií. Tyto mikroorganismy produkují třídu vlastních lipidů, které mohou přirozeně omezit vodu v jejich vnitřku, což bakteriím dává unikátní schopnost přežít i ve velmi chladném prostředí.

Chrání buňky před ledovou destrukcí
Jak vysvětluje profesor Raffaele Mezzenga, klíčovým faktorem je poměr lipidů k vodě. Teploty, při kterých se mění geometrie mezofázy určuje teplota vody ve směsi. Pokud např. směs obsahuje 12 % objemových dílů vody, bude struktura mezofázy přecházet z kubického labyrintu na lamelární strukturu při -15 °C.
„To, co činí vývoj těchto lipidů velmi složitým, je jejich syntéza a čištění,“ doplňuje prof. Ehud Landau. Molekuly lipidů mají dvě části, hydrofobní, která odpuzuje vodu, a hydrofilní, která vodu naopak přitahuje. Proto je velmi obtížné s nimi pracovat. Měkký biomateriál vytvořený z lipidových membrán a vody má ale komplexní strukturu, která minimalizuje kontakt vody s hydrofobními částmi a maximalizuje její rozhraní s hydrofilními částmi.
„V normálním procesu mražení se vytvářejí ledové krystaly, které poškozují a ničí membrány a důležité velké biomolekuly. Ale ne s novou mezofázou, která je nedestruktivní a chrání molekuly v jejich původním stavu. Náš výzkum připravuje půdu pro budoucí projekty, např. jak by mohly být zachovány proteiny ve své původní formě a interakce s lipidovými membránami při velmi nízkých teplotách," říká profesor Raffaele Mezzenga.
Tato nová třída měkkých látek může být podle vědců použita i v aplikacích, kde je třeba zabránit zamrznutí vody. „Naším hlavním cílem bylo poskytnout výzkumníkům nový nástroj, který by usnadnil studium molekulárních struktur a pochopit, jak dvě hlavní složky života, tj. voda a lipidy, interagují v extrémních podmínkách," říká Raffaele Mezzenga. To může být využito k nedestruktivní izolaci, uchování a studiu velkých biomolekul, kdy např. biologové pomocí kryogenní elektronové mikroskopie zkoumají struktury a funkce velkých biomolekul, jako jsou proteiny nebo velké molekulární komplexy.  

Peter Rüegg

 
Publikováno: 24. 7. 2019 | Počet zobrazení: 77 | Počet přeposlání: 0 článek mě zaujal 5
Zaujal Vás tento článek?
Ano