L'acqua può raggiungere meno 263 gradi Celsius senza trasformarsi in ghiaccio? Sì, può, affermano i ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo, se è confinato in canali lipidici su scala nanometrica.

Fare i cubetti di ghiaccio è un processo semplice:prendi una vaschetta di plastica per cubetti di ghiaccio come si trova nella maggior parte delle case, riempirlo d'acqua e metterlo nel congelatore. In poco tempo, l'acqua si cristallizza e si trasforma in ghiaccio.

Se dovessi analizzare la struttura dei cristalli di ghiaccio, vedresti che le molecole d'acqua sono disposte in regolari strutture reticolari tridimensionali. In acqua, al contrario, le molecole sono disorganizzate, che è la ragione per cui l'acqua scorre.

Acqua vitrea

Guidati dai professori Raffaele Mezzenga e Ehud Landau, un gruppo di fisici e chimici dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo ha ora identificato un modo insolito per impedire all'acqua di formare cristalli di ghiaccio, quindi anche a temperature estreme sotto lo zero mantiene le caratteristiche amorfe di un liquido.

In un primo passo, i ricercatori hanno progettato e sintetizzato una nuova classe di lipidi (molecole di grasso) per creare una nuova forma di materia biologica "morbida" nota come mesofase lipidica. In questo materiale, i lipidi si autoassemblano e si aggregano spontaneamente per formare membrane, comportandosi in modo simile alle molecole di grasso naturale. Queste membrane adottano quindi una disposizione uniforme per formare una rete di canali collegati che misurano meno di un nanometro di diametro. Temperatura e contenuto d'acqua, così come la nuova struttura delle molecole lipidiche progettate determinano la struttura che assume la mesofase lipidica.

Non c'è spazio per i cristalli d'acqua

La particolarità di questa struttura è che, a differenza di una vaschetta per i cubetti di ghiaccio, non c'è spazio negli stretti canali per consentire all'acqua di formare cristalli di ghiaccio, quindi rimane disordinato anche a temperature estreme sotto lo zero. Neanche i lipidi si congelano.

Usando elio liquido, i ricercatori sono stati in grado di raffreddare una mesofase lipidica costituita da un monoacilglicerolo chimicamente modificato a una temperatura di meno 263 gradi Celsius, che è solo 10 gradi sopra la temperatura dello zero assoluto, e ancora non si sono formati cristalli di ghiaccio. A questa temperatura, l'acqua è diventata "vetrosa", come i ricercatori hanno potuto dimostrare e confermare in una simulazione. Il loro studio su questo comportamento insolito dell'acqua quando confinata all'interno di una mesofase lipidica è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"Il fattore chiave è il rapporto tra lipidi e acqua, " spiega il professor Raffaele Mezzenga del Laboratorio di Food &Soft Materials dell'ETH di Zurigo. Di conseguenza, è il contenuto di acqua nella miscela che determina le temperature alle quali cambia la geometria della mesofase. Se, Per esempio, la miscela contiene il 12% di acqua in volume, la struttura della mesofase passerà a circa meno 15 gradi Celsius da un labirinto cubico a una struttura lamellare.

Antigelo naturale per batteri

"Ciò che rende così difficile lo sviluppo di questi lipidi è la loro sintesi e purificazione, "dice Ehud Landau, Professore di Chimica all'Università di Zurigo. Spiega che questo è dovuto al fatto che le molecole lipidiche hanno due parti; uno che è idrofobo (respinge l'acqua) e uno che è idrofilo (attira l'acqua). "Questo rende estremamente difficile lavorare con loro, " lui dice.

Il morbido biomateriale formato dalle membrane lipidiche e dall'acqua ha una struttura complessa che riduce al minimo il contatto dell'acqua con le parti idrofobe e massimizza la sua interfaccia con le parti idrofile.

I ricercatori hanno modellato la nuova classe di lipidi sulle membrane di alcuni batteri. Questi batteri producono anche una classe speciale di lipidi autoassemblanti che possono confinare naturalmente l'acqua al loro interno, permettendo ai microrganismi di sopravvivere in ambienti molto freddi.

"La novità dei nostri lipidi è l'introduzione di anelli a tre membri altamente tesi in posizioni specifiche all'interno delle parti idrofobe delle molecole", dice Landau. "Questi consentono la curvatura necessaria per produrre canali d'acqua così piccoli e prevenire la cristallizzazione dei lipidi".

Materia soffice per la ricerca

Queste nuove mesofasi lipidiche serviranno principalmente come strumento per altri ricercatori. Possono essere utilizzati per isolare in modo non distruttivo, preservare e studiare grandi biomolecole in un ambiente che imita la membrana, ad esempio utilizzando la microscopia elettronica criogenica. I biologi si rivolgono sempre più a questo metodo per determinare le strutture e le funzioni di grandi biomolecole come proteine ​​o grandi complessi molecolari.

"Nel normale processo di congelamento, quando i cristalli di ghiaccio si formano di solito danneggiano e distruggono le membrane e le grandi biomolecole cruciali, che ci impedisce di determinarne la struttura e la funzione quando interagiscono con le membrane lipidiche, "dice Mezzenga.

Ma non con la nuova mesofase, che non è distruttivo e preserva tali molecole nel loro stato originale e in presenza dell'altro elemento chiave della vita, cioè i lipidi. "La nostra ricerca sta aprendo la strada a progetti futuri per determinare come le proteine ​​potrebbero essere conservate nella loro forma originale e interagire con le membrane lipidiche a temperature molto basse, "dice il professore dell'ETH.

Questa nuova classe di materia soffice potrebbe essere impiegata anche in potenziali applicazioni ovunque sia necessario impedire il congelamento dell'acqua. "Ma il nostro lavoro non era finalizzato ad applicazioni esotiche, Mezzenga afferma:"Il nostro obiettivo principale era quello di fornire ai ricercatori un nuovo strumento per facilitare lo studio delle strutture molecolari a bassa temperatura senza cristalli che interferiscono con il ghiaccio, e infine capire come due componenti principali della vita, cioè acqua e lipidi, interagiscono in condizioni estreme di temperatura e confinamento geometrico" aggiunge.