Quando il materiale biologico (cellule, sangue, tessuti) è congelato, i crioprotettori vengono utilizzati per prevenire i danni associati alla formazione di ghiaccio durante il processo di congelamento. Stanno emergendo nuovi crioprotettori polimerici, accanto ai crioprotettori affermati, ma come esattamente riescano a controllare la formazione e la crescita del ghiaccio è ancora in gran parte sconosciuto. Ciò è particolarmente vero per PVA, un polimero sintetico ingannevolmente semplice che interagisce con il ghiaccio tramite meccanismi che ora sono stati rivelati a livello atomistico grazie ai ricercatori dell'Università di Warwick.

I crioprotettori sono fondamentali quando si congela il materiale biologico per ridurre il danno cellulare coinvolto nella formazione del ghiaccio. Ricristallizzazione del ghiaccio, questo è il processo mediante il quale i cristalli di ghiaccio più grandi crescono a spese di quelli più piccoli, è uno dei principali problemi che interessano gli attuali protocolli di crioconservazione ed è ancora poco compreso. I ricercatori dell'Università di Warwick hanno studiato come un polimero piuttosto popolare con il potenziale per essere utilizzato nella crioconservazione si lega ai cristalli di ghiaccio in crescita.

Nella carta, intitolato "I dettagli atomistici dell'attività di inibizione della ricristallizzazione del ghiaccio del PVA, "pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , ricercatori dell'Università di Warwick hanno scoperto che, contrariamente al consenso emergente, catene polimeriche più corte o più lunghe di poli(vinil)alcool (PVA) si legano tutte al ghiaccio.

Fino ad ora, la comunità ha lavorato partendo dal presupposto che i polimeri corti non si legano abbastanza fortemente ai cristalli di ghiaccio, ma in questo lavoro il Dr. Sosso e collaboratori hanno dimostrato che è il sottile equilibrio tra queste interazioni di legame e il volume effettivo occupato dai polimeri all'interfaccia con il ghiaccio che determina la loro efficacia nell'ostacolare la ricristallizzazione del ghiaccio.

Questo lavoro riunisce misurazioni sperimentali dell'inibizione della ricristallizzazione del ghiaccio e simulazioni al computer. Questi ultimi sono strumenti preziosi per ottenere informazioni microscopiche su processi come la formazione del ghiaccio, in quanto sono in grado di vedere cosa sta succedendo in processi molto veloci o molto piccoli che sono difficili da vedere anche con le tecniche sperimentali più avanzate.

Questo lavoro getta nuova luce sui principi fondamentali alla base della ricristallizzazione del ghiaccio, individuando principi di progettazione che possono essere sfruttati direttamente per progettare la prossima generazione di crioprotettori. Questo risultato è una testimonianza della forza di ciò che è affettuosamente conosciuto come "Team Ice" a Warwick, una rete di collaborazione in continua crescita con il potenziale per avere un enorme impatto su molti aspetti della formazione del ghiaccio, dalla scienza dell'atmosfera alla chimica medicinale.

Fabienne Bachtiger, un dottorato di ricerca studente che lavora nel gruppo di ricerca del Dott. Sosso (Dipartimento di Chimica) che ha guidato questo lavoro, spiega:

"Abbiamo scoperto che anche catene piuttosto corte di PVA, contenente solo dieci unità polimeriche, si legano al ghiaccio, e che si legano anche piccoli copolimeri a blocchi di PVA. È importante che la comunità sperimentale lo sappia, poiché fino ad ora hanno lavorato con presupposti diversi. Infatti, questo significa che possiamo utilizzare con successo polimeri molto più piccoli di quanto si pensasse in precedenza. Queste sono informazioni cruciali per aiutare lo sviluppo di nuovi crioprotettori più attivi".

Dott. Gabriele Sosso, dal Dipartimento di Chimica dell'Università di Warwick, che sta conducendo un notevole sforzo computazionale per studiare la formazione di ghiaccio nella materia biologica, dice, "Con questo contributo abbiamo aggiunto un pezzo cruciale al puzzle di come esattamente i crioprotettori polimerici interagiscono con i cristalli di ghiaccio in crescita. Questo fa parte di un corpo più ampio di lavoro computazionale e teorico che il mio gruppo sta portando avanti con l'intento di capire come funzionano i crioprotettori il livello molecolare, in modo da identificare principi progettuali che possono essere direttamente sondati dai nostri colleghi sperimentali. Warwick è il luogo perfetto per approfondire la nostra comprensione del ghiaccio, e questo lavoro mostra l'impatto dell'entusiasmante collaborazione tra il mio gruppo di ricerca e il Gibson Group".

Professore Matthew Gibson, dal Dipartimento di Chimica e dalla Warwick Medical School dell'Università di Warwick, dice, "La ricristallizzazione del ghiaccio è una vera sfida in criobiologia, provocando danni alle cellule ma anche agli alimenti congelati o alle infrastrutture. Capire come funziona anche questo "semplice" polimero per controllare la ricristallizzazione del ghiaccio è un importante passo avanti per scoprire nuovi crioprotettori, e infine usarli nel mondo reale."