脂質膜は、摂氏-263度での水の凍結を防ぎました

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新しい脂質中間相の3Dモデル

科学者たちは、生細胞内の膜の近い環境で水の位置を模倣するシステムを作成しました。このような状態で閉じ込められた水は、液体ヘリウムの温度では凍結しないことがわかった。実験は、非常に薄いチャネルのネットワークを形成し、そのような低温では結晶化しない人工生体模倣ポリマーの製造のおかげで実施された、と著者らはジャーナルNatureNanotechnologyに報告しています。

表面とバルクの物質の特性は異なる場合があります。これは、トポロジカル絶縁体などの特定の材料と、水などの一般的な物質の両方で知られています。特に、科学者たちは、分子が氷を形成するために六角形の構造に並ぶ必要があるため、細いチャネルなどの窮屈な条件が水の結晶化を阻害する可能性があることをすでに発見しています。この状況の例は、カーボンナノチューブ内の水分子です。

ナノスケールで局在化したときの水の特性の変化は、多くの物理的、地質学的、化学的および生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たすことができます。特に、一部の生物は氷点下の温度で生き残ることができることが知られています。この現象は、閉じ込められた細胞内空間の結晶化温度が低いことによって部分的に説明されると考えられています。この文脈では、多くの細胞小器官が脂質膜に囲まれている生細胞内の状況に近い条件下で水を研究することが重要です。そのためには、隙間の狭い人工的な膜システムを作る必要があります。

チューリッヒのスイス高等工科専門学校のLiviaSalvati Manniと彼女の同僚は、適切な有機化合物である修飾モノアシルグリセロールの合成方法を提案しました。研究の著者は、極低温での水との混合物の特性を調査しました。この場合、合成脂質に必要な要件は、安定した中間相の存在、つまり、固体と液体の中間の特性を持つ物質の状態です。

水の存在下では、分子の両端が異なる特性を持っているため、結果として生じる脂質は自己組織化して天然脂肪のような膜を形成します。一方で、それらは親水性であり、水と接触する傾向があります。一方、それらは疎水性であり、それを避けます。その結果、直径がナノメートル未満の交差するチャネルの均一なネットワークが形成されました。

この構造の異常な特性は、水を満たして冷却すると、チャネルの断面が氷の形成には不十分であり、脂質自体も結晶化しないために現れ始めました。著者らは、液体ヘリウムでシステムを10ケルビン(摂氏-263度)の温度に冷却しましたが、氷の出現は検出されませんでした。代わりに、水は異常なガラスのような状態になりました。これは、そのような条件下での分子の挙動の測定と数値シミュレーションの両方によって確認されました。

著者らは、得られた結果が、極端な温度と分子局在化の条件下での生命の2つの主要な構成要素(水と脂質)の相互作用についての理解を深めることに注目しています。著者は、結果として得られるシステムの多くの潜在的なアプリケーションを予想しています。特に、生体分子は、細胞の窮屈な内臓に似た状況でのそれらの挙動を研究するために、そのような構造に閉じ込めることができます。この場合、しばしば分子を損傷し、それらを詳細に研究することを可能にしない氷の結晶の出現を恐れる必要はありません。

長い間綿密な調査を行ったにもかかわらず、純水の新しい異常な相を見つけることは可能です。特に、科学者たちは最近、低密度の安定した氷を発見し、凍結プロセスの3つの種類も特定しました。多くの研究はまた、限られた条件での水の振る舞いに専念してきました。たとえば、研究者は、4つの方法で油を毛穴から絞り出すことができることを発見しました。

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