Ögonblicksbild från en molekyldynamiksimulering som visar samspelet mellan glycerol (vita molekyler) och fluktuationer i vattnets densitet (rött/blått motsvarar områden med hög/låg densitet). Bilden är gjord av Iason Andronis.

Studien genomfördes vid SACLA-anläggningen (SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser) i Japan och använde avancerade experimentella tekniker och molekyldynamiksimuleringar för att undersöka strukturen och dynamiken hos underkylda glycerol-vattenlösningar.

Ny forskning avslöjar hur glycerol skyddar celler i extrem kyla

— Ett viktigt resultat av studien är att glycerol, även i utspädda koncentrationer, avsevärt förändrar vattnets beteende på molekylär nivå”, förklarar Sharon Berkowicz, doktorand vid fysikavdelningen på SU. Medan rent vatten är känt för sina dramatiska densitetsfluktuationer när det kyls, fungerar närvaron av glycerol som en stabiliserande kraft som jämnar ut dessa fluktuationer och hindrar bildandet av iskristaller. ”Detta tros bero på att glycerolmolekylerna, med sin unika förmåga att bilda flera vätebindningar, stör det intrikata vätebindningsnätverk som styr vattnets egenskaper, tillägger Berkowicz.

Forskningen tyder också på att glycerol förskjuter vattnets ”Widom-linje” till lägre temperaturer. — Denna teoretiska gräns tros skilja de två regioner där vatten lokalt liknar en vätska med hög densitet (HDL) och en vätska med låg densitet (LDL), säger Iason Andronis, doktorand vid fysikavdelningen på SU.

Han förklarar vidare att — genom att skjuta Widom-linjen till kallare temperaturer gör glycerol det svårare för vatten att övergå mellan dessa två former, vilket ytterligare bidrar till att undertrycka densitetsfluktuationer och isbildning.
 
För att undersöka dessa invecklade interaktioner använde forskargruppen en experimentell uppställning som involverade snabb avdunstning av mikroskopiska glycerol-vattendroppar i en vakuumkammare. Denna teknik, i kombination med ultrasnabba röntgenpulser från SACLA, gjorde det möjligt för forskarna att ta ögonblicksbilder av vattenmolekylernas placering i de underkylda dropparna, vilket avslöjade glycerolens subtila men betydande inflytande på vattnets struktur.

Konsekvenser för kryokonservering

— Konsekvenserna för kryokonservering är betydande, förklarar professor Fivos Perakis. Glycerol är redan ett allmänt använt kryoprotektivt medel som tillsätts i lösningar för att skydda celler och vävnader från skador under frysning. Studiens resultat ger de första direkta experimentella bevisen för att förklara hur glycerol utövar sin skyddande roll på molekylär nivå. ”Genom att störa vattnets vätebindningsnätverk och undertrycka densitetsfluktuationer förhindrar glycerol effektivt bildandet av iskristaller - dessa mikroskopiska ”dolkar” som kan tränga igenom och förstöra känsliga biologiska strukturer, förklarar Perakis.

The study's findings underscore the importance of basic research in driving innovation and solving real-world challenges. By delving into the fundamental interactions between water and other molecules, the researchers are not only gaining insights into the nature of water itself but also paving the way for breakthroughs in fields as diverse as medicine, materials science, and food preservation.

Referenser

Supercritical density fluctuations and structural heterogeneity in supercooled water-glycerol microdroplets
S. Berkowicz*, I. Andronis*, A. Girelli, M. Filianina, M. Bin, K. Nam, M. Shin, M. Kowalewski, T. Katayama, N. Giovambattista, K. H. Kim, and F. Perakis, [*equal contribution]
Nature Comm. (2024)