A água pode chegar a menos 263 graus Celsius sem se transformar em gelo? Sim pode, dizem pesquisadores da ETH Zurich e da Universidade de Zurique, se estiver confinado em canais de lipídios em escala nanométrica.

Fazer cubos de gelo é um processo simples:você pega uma bandeja de plástico para cubos de gelo, como você encontra na maioria das residências, encha-o com água e coloque-o no congelador. Muito antes, a água cristaliza e se transforma em gelo.

Se você fosse analisar a estrutura dos cristais de gelo, você veria que as moléculas de água estão organizadas em estruturas reticuladas tridimensionais regulares. Na água, por contraste, as moléculas são desorganizadas, que é a razão pela qual a água flui.

Água vítrea

Liderados pelos professores Raffaele Mezzenga e Ehud Landau, um grupo de físicos e químicos da ETH Zurich e da Universidade de Zurique já identificou uma maneira incomum de evitar que a água forme cristais de gelo, portanto, mesmo em temperaturas extremas abaixo de zero, ele retém as características amorfas de um líquido.

Em uma primeira etapa, os pesquisadores projetaram e sintetizaram uma nova classe de lipídios (moléculas de gordura) para criar uma nova forma de matéria biológica "macia" conhecida como mesofase lipídica. Neste material, os lipídios espontaneamente se auto-organizam e se agregam para formar membranas, comportando-se de maneira semelhante às moléculas de gordura natural. Essas membranas, então, adotam um arranjo uniforme para formar uma rede de canais conectados que medem menos de um nanômetro de diâmetro. Temperatura e conteúdo de água, assim como a nova estrutura das moléculas lipídicas projetadas determinam a estrutura que a mesofase lipídica assume.

Sem espaço para cristais de água

O que há de tão especial nessa estrutura é que - ao contrário de uma bandeja de cubos de gelo - não há espaço nos canais estreitos para a água formar cristais de gelo, portanto, ele permanece desordenado mesmo em temperaturas extremas abaixo de zero. Os lipídios também não congelam.

Usando hélio líquido, os pesquisadores foram capazes de resfriar uma mesofase lipídica que consiste em um monoacilglicerol quimicamente modificado a uma temperatura de até 263 graus Celsius negativos, que está apenas 10 graus acima da temperatura de zero absoluto, e ainda nenhum cristal de gelo se formou. Nesta temperatura, a água ficou "vítrea", como os pesquisadores foram capazes de demonstrar e confirmar em uma simulação. O estudo desse comportamento incomum da água quando confinado em uma mesofase lipídica foi publicado recentemente na revista. Nature Nanotechnology .

"O fator chave é a proporção de lipídios para água, "explica o professor Raffaele Mezzenga do Laboratório de Alimentos e Materiais Suaves da ETH Zurique. é o teor de água na mistura que determina as temperaturas nas quais a geometria da mesofase muda. Se, por exemplo, a mistura contém 12 por cento de água por volume, a estrutura da mesofase fará a transição em cerca de menos 15 graus Celsius de um labirinto cúbico para uma estrutura lamelar.

Anticongelante natural para bactérias

"O que torna o desenvolvimento desses lipídios tão complicado é sua síntese e purificação, "diz Ehud Landau, Professor de Química da Universidade de Zurique. Ele explica que isso ocorre porque as moléculas de lipídios têm duas partes; um que é hidrofóbico (repele água) e outro que é hidrofílico (atrai água). "Isso os torna extremamente difíceis de trabalhar, " ele diz.

O biomaterial macio formado a partir das membranas lipídicas e da água possui uma estrutura complexa que minimiza o contato da água com as partes hidrofóbicas e maximiza sua interface com as partes hidrofílicas.

Os pesquisadores modelaram a nova classe de lipídios nas membranas de certas bactérias. Essas bactérias também produzem uma classe especial de lipídios de automontagem que podem confinar naturalmente a água em seu interior, permitindo que os microorganismos sobrevivam em ambientes muito frios.

"A novidade de nossos lipídios é a introdução de anéis de três membros altamente tensos em posições específicas dentro das partes hidrofóbicas das moléculas", diz Landau. "Isso permite a curvatura necessária para produzir esses minúsculos canais de água e evitar que os lipídios se cristalizem."

Matéria mole para pesquisa

Essas novas mesofases lipídicas servirão principalmente como uma ferramenta para outros pesquisadores. Eles podem ser utilizados para isolar não destrutivamente, preservar e estudar grandes biomoléculas em um ambiente que imita a membrana, por exemplo, usando microscopia eletrônica criogênica. Os biólogos estão cada vez mais recorrendo a esse método para determinar as estruturas e funções de grandes biomoléculas, como proteínas ou grandes complexos moleculares.

"No processo normal de congelamento, quando os cristais de gelo se formam, eles geralmente danificam e destroem as membranas e grandes biomoléculas cruciais, o que nos impede de determinar sua estrutura e função quando interagem com as membranas lipídicas, "Mezzenga diz.

Mas não com a nova mesofase, que não é destrutiva e preserva tais moléculas em seu estado original e na presença do outro bloco de construção chave da vida, esses são os lipídios. "Nossa pesquisa está abrindo caminho para projetos futuros para determinar como as proteínas podem ser preservadas em sua forma original e interagir com as membranas lipídicas em temperaturas muito baixas, "diz o professor da ETH.

Esta nova classe de matéria mole também pode ser empregada em aplicações potenciais onde a água deve ser impedida de congelar. "Mas nosso trabalho não era voltado para aplicações exóticas, "Mezzenga diz:" Nosso foco principal era dar aos pesquisadores uma nova ferramenta para facilitar o estudo de estruturas moleculares em baixa temperatura sem cristais que interfiram no gelo, e, finalmente, para entender como dois componentes principais da vida, ou seja, água e lipídios, interagir em condições extremas de temperatura e confinamento geométrico ”, acrescenta.