Новый подход удерживает жидкости от замерзания при очень низких температурах

12 Августа 2018, Илья Хель 19

Ученые из Массачусетского центра применения технологий в медицине (MGH-CEM) разработали простой метод поддержания воды и растворов на основе воды в жидком состоянии при температурах, значительно меньших обычной «точки замерзания» в течение очень длительных периодов времени. В то время как им удалось проделать это с объемом всего в несколько унций, их подход, описанный в Nature Communications, однажды может обеспечить безопасное продолжительное сохранение клеток крови, тканей и органов, а также улучшить сохранность продуктов питания.

«Вода и другие водные растворы в тех объемах, которые мы встречаем каждый день, обычно замерзают при охлаждении ниже точки замерзания в 0 градусов по Цельсию», говорит Берк Уста, доктор наук из MGH-CEM, соавтор работы. «Наш подход, который мы назвали «глубоким переохлаждением», состоит в том, чтобы покрыть поверхность такой жидкости раствором, который не смешивается с водой, вроде минерального масла, чтобы заблокировать взаимодействие между водой и воздухом. Этот  удивительно простой, практичный и недорогой подход переохлаждения жидкостей в течение длительных периодов может открыть много методов сохранения еды и медикаментов, а также позволит проведение фундаментальных экспериментов, которые ранее не были доступны».

Можно ли заморозить органы надолго?

В большинстве реальных сред вода и водные растворы начинают замерзать, когда температура достигает уровня ниже нуля, причем кристаллы льда произвольно формируются там, где жидкости контактируют с воздухом или различными примесями в растворе. Переохлаждение, позволяющее поддерживать жидкость при низкой температуре без кристаллизации, можно осуществить лишь с небольшими объемами и в течение коротких периодов времени, используя оборудование с высоким давлением, которое дорого стоит и может повредить ткани или другие биологические материалы.

Снижение температуры любого биологического материала – в процессе, например, холодного хранения скоропортящихся продуктов и органов для трансплантации – замедляют метаболические и другие реакции. Переохлаждение продлевает это замедление метаболизма без повреждений, вызванных кристаллизацией льда. Ученые обнаружили, что запечатывание поверхности небольшого (1 мл) образца воды маслом на основе углеводородов, таким как минеральное, оливковое или парафиновое масло, может подавить образование льда при температурах до -13 градусов в течение недели. В процессе экспериментов с более сложными маслами и простыми углеводородами, вроде спиртов и алканов, им удалось сохранить 1 мл образцов воды и суспензии клеток переохлажденными до -20 градусов в течение 100 дней и 100 мл образцов на неделю.

19 комментариев Оставить свой

  1. kirfoton

    На ютубе видел видео, переохлаждённую воду выливают и она на ходу замерзает. Можно и дома попробовать дистиллированную воду поместить в морозилку , потом аккуратно без тряски извлечь и использовать для опытов. Хотя мне кажется, надо вода двойной дистилляции, сверхчистая )

    • Prox Vesor

      kirfoton, обычная бутилированная вода у м постоянно в морозильнике переохлаждается.
      но при попытке бутылку достать, вода кристаллизуется мгновенно

  2. botan

    Изоляция воды и стенок с любой стороны. Но как же давление и пористость стенок ?

  3. Sergey1964

    "подавить образование льда при температурах до -13 градусов в течение недели." Очень интересно. У всех cold-adapted микроорганизмов, с которыми работаю, теоретический температурный минимум по кривой на основе модели Ratkowsky et al. стабильно получается от -7С и ниже. Надо будет почитать исходник, потренироваться с незамерзанием и попробовать, будет ли рост в жидких средах при минусовых температурах. Собственно, для начала можно даже на качественном уровне, по принципу есть/нет. Одного миллилитра даже много, достаточно 40..100 мкл. В общем, полезный ресурс, не зря я его читаю. :)

    Кстати, фраза "маслом на основе углеводородов, таким как минеральное, оливковое или парафиновое масло" не вполне корректная. Оливковое масло - не на основе углеводородов, а на основе глицерина и жирных кислот, как и положено маслам растительного и животного происхождения. Но это так, к слову.

    И ещё забавно, что масла из нефти официально называют "минеральными" (mineral oil), хотя они все органические. Как прилипло неправильное название в 1771 году, так и сохранилось до сих пор. )))

    • Prox Vesor

      Sergey1964, у м в морозилке почему т обычная вода переохлаждается :
      когда пытаюсь бутылку из морозилки достать, то она на глазах кристаллизуется, ... готов видео предоставить, воду на экспертизу - но может, просто не очень н0род обращает внимание

      • IronFenyx

        Prox, Специально пытался когда-то в студенческие годы переохладить воду - ни разу не получилось, всегда замерзала. Так и плюнул.

    • IronFenyx

      Sergey1964, К вам-то это имеет минимальное отношение. Вода это одно, а живая клетка - совсем другое. Думаю собака порылась именно в отсутствии дефектов поверхностей, на которых могла бы начаться кристаллизация. Масло-то образует гладкий слой молекул на поверхности воды без шероховатостей и пор. Поверхностное натяжение, однако. Клетки сами уже являются частицами примеси. Да еще и выделяют всякое туда-сюда. Замерзнет ваша среда -как пить дать. Хотя практическое подтверждение этого тезиса тоже полезно - получится опровержение возможности использовать обнаруженный эффект для хранения биологических объектов.

  4. ELVIS

    Я конечно не специалист, но если вся проблема в контакте с кислородом, разве нельзя использовать вакуумную камеру?

    • ELVIS

      ELVIS, И еще вот интересно, а сами эти клетки внутри "запечатанной" поверхности действительно имеют схожую температуру или она все же выше?

      • ELVIS

        ELVIS, имею ввиду эффект термоса

    • Sergey1964

      ELVIS, "если вся проблема в контакте с кислородом" - Там не сказано про кислород, речь идёт о воздухе. В оригинале говорится то же самое, цитирую "to block the interface between water and air, which is the major site of crystallization". То есть речь идёт о блокирование некоего взаимодействия на границе раздела вода-воздух. Что конкретно за взаимодействие - не сказано. Может, "горячие" молекулы H2O улетают в воздух, унося с собой энергию и тем самым способствуя началу кристаллизации, может - ещё что-нибудь. Для подробностей-механизмов надо почитать не интервью, а собственно публикации этой группы, но лично мне пока лень, а другие участники и подавно интереса не проявляют.

      "разве нельзя использовать вакуумную камеру?" - В смысле? Если Вы поместите воду в вакуум, то она тут же испарится. И даже замёрзшая вода испарится, это называется - сублимационная сушка.

      "а сами эти клетки внутри "запечатанной" поверхности действительно имеют схожую температуру или она все же выше? имею ввиду эффект термоса" - Эффект термоса там вряд ли сработает, поскольку объёмы слишком маленькие, температура очень быстро выровняется. Единственное, что может вызвать локальные градиенты температур, на мой взгляд - это тепловыделение в ходе ферментативных реакций. Раз есть жидкая вода (и если не будет холодовой денатурации ферментов), то реакции вполне могут продолжаться, почему бы и нет? С очень низкой скоростью, но тем не менее. Может даже электрон-транспортная цепь в митохондриях будет работать потихоньку. ))

      • ELVIS

        Sergey1964, "речь идёт о воздухе"
        ок, допустим

        "температура очень быстро выровняется"
        я вот и боюсь, что когда она стравняется начнет замерзать, а в статье так и написано - в течение коротких периодов времени.

        "Если Вы поместите воду в вакуум, то она тут же испарится" используйте какой-нибудь сосуд, а его в вакуум, получите низкие температуры без замерзания, ну или на какое-то время, разве нет?

        • ELVIS

          ELVIS, Чтобы было понятно о чем я, в космосе вода не замерзает и имеет сферическую
          форму, взять сферу, поместить в нее воду под определенным давлением, а потом в вакуумную камеру: popmech.ru/science/309202-chto-sluchitsya-s-vodoy-v-kosmose-zamerznet-ili-isparitsya/

        • Sergey1964

          ELVIS, Опять процитирую нагугленный мной первоисточник - чтобы уж никаких сомнений. Переводы - это хорошо, а первоисточники - ещё лучше. :)

          Там написано, цитирую "the team first found that sealing the surface of a small (1 ml) water sample with a hydrocarbon-based oil – such as mineral oil, olive oil or paraffin oil – could suppress ice formation at temperatures as low as -13° C (around 9° F) for up to a week.". То есть - неделя, это немалый срок.

          Вдобавок, неделя при -13°C - это не предел, как показали их дальнейшие эксперименты. Опять цитирую. "Through a series of experiments both with more complex oils and with pure simple hydrocarbons, such as alcohols and alkanes, they succeeded in keeping 1 ml samples of water and cell suspensions supercooled at -20° C (-4° F) for 100 days and 100 ml (3.2 oz) samples for a week."
          То есть уже не просто вода, а клеточные суспензии (хотя я бы ожидал, что клетки послужат центрами кристаллизации). И уже не неделю, а до 100 дней, и не при -13°C, а при -20°C. А если не 1 мл, а 100 мл - то неделя. Вообще фантастика.

          "используйте какой-нибудь сосуд, а его в вакуум" - А зачем тогда вакуум? Если взять герметичный сосуд, то воде в нём абсолютно всё равно - в вакууме сосуд или нет. Единственный эффект от вакуума будет в снижении скорости теплообмена с внешней средой, поскольку теплопередача будет осуществляться только за счёт ИК-излучения. Данный эффект и используется в термосах с вакуумными колбами испокон века.

          Но у них там явно что-то связано именно с границей раздела фаз, не зря они пишут про interface between water and air, which is the major site of crystallization. Хотя искать нормальные публикации этой группы, чтобы выяснить, что они понимают под интерфейсом, по-прежнему лень. ))

        • Sergey1964

          ELVIS, P.S.
          "какой-нибудь сосуд, а его в вакуум, получите низкие температуры" - Если я помещу сосуд в вакуумную камеру, то я в сосуде не получу низкие температуры. Я в сосуде получу температуру внутренних стенок этой вакуумной камеры. Только не сразу, а через энное время - поскольку теплообмен между сосудом и стенками будет только через излучение.

          • ELVIS

            Sergey1964, Спасибо!)

            • Sergey1964

              ELVIS, Не за что! )) Спасибо автору, разместившему новость. Первый раз встретил на этом ресурсе нечто, представляющее для меня реальный профессиональный интерес. Осталось только найти подробное описание методики (как вариант - запросить по электронке у авторов исследования), и можно будет поизучать рост микроорганизмов при температурах ниже -10С. :)

  5. ELVIS

    "в космосе вода не замерзает и имеет сферическую
    форму" к этой фразе не пожалуйста не придерайтесь, тут можно долго обсуждать как образуются кометы)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.