Каждый, кто сталкивался с ожогом от заморозки, знает, что кристаллы льда могут стать проблемой при низких температурах. Зазубренные края ледяных кристаллов могут не только испортить текстуру мороженого, но и разрушить структуру живых клеток или биологических препаратов, таких как ферменты и антитела, которые необходимо перевозить при минусовых температурах.
Антифриз в автомобиле — этиленгликоль — токсичен, поэтому не подходит для использования с продуктами питания или лекарствами. Вместо этого исследователи обратились к природе: у рыб, обитающих в полярных водах, в крови есть белки, предотвращающие её замерзание.
Исследователи из Инженерного колледжа Джона и Марсии Прайс при Университете Юты разработали способ создания упрощённой синтетической версии этого белка. Он достаточно прост в производстве в промышленных масштабах, но достаточно эффективен, чтобы препятствовать образованию кристаллов льда при минусовых температурах.
Исследователи продемонстрировали эффективность своих мимикрирующих полипептидов на нескольких реальных примерах, включая мороженое и противоопухолевый препарат трастузумаб. Первое было успешно охлаждено до минус 4 градусов по Фаренгейту, а второе выдержало температуры до минус 323 градусов по Фаренгейту.
Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials. Его возглавляли Джессика Крамер, доцент кафедры биомедицинской инженерии, и Томас МакПарлтон, аспирант в её лаборатории.
На пути к практическому применению
На протяжении десятилетий исследователи изучали встречающиеся в природе белки-антифризы, обнаруженные у некоторых полярных рыб, а также у некоторых насекомых и растений. Однако извлечение значимого количества этих белков из живых организмов нецелесообразно для коммерческого использования. Они также подвержены загрязнению аллергенами.
Поэтому Крамер и её коллеги решили определить точные физические и химические свойства этих белков, которые отвечали за их способность предотвращать замерзание. Пара более ранних исследований, опубликованных в Chemistry of Materials и Biomacromolecules, продемонстрировала структурные особенности, наиболее важные для встречающихся в природе белков.
«В конечном итоге мы упростили структуру, оставив только те части, которые, по нашему мнению, необходимы для антиобледенительной активности, что делает производство менее сложным и дорогим», — сказала Крамер. «Несмотря на эти изменения, наше исследование показало, что наши имитаторы связываются с поверхностью кристаллов льда и подавляют их рост, подобно натуральным белкам-антифризам».
«Лучше всего то, что мы создаём эти имитаторы полностью с помощью химии — без использования рыб или клеток», — сказал МакПарлтон.
В качестве доказательства концепции исследователи продемонстрировали, что имитационные молекулы нетоксичны для клеток человека, поддаются перевариванию ферментами человеческого кишечника и могут выдерживать нагревание — критический фактор для их потенциального использования в производстве продуктов питания. Они также провели тесты на чувствительные ферменты и антитела, показав, что имитаторы защищают их от повреждений, связанных с циклами замораживания-оттаивания.
«Мы также показали, что можем подавлять рост кристаллов льда в мороженом, что часто происходит при транспортировке или когда люди кладут картон в морозильную камеру и достают из неё», — сказала Крамер.
Исследователи предполагают, что их имитационные молекулы могут найти широкое применение: от продления срока годности замороженных продуктов до улучшения условий хранения и транспортировки жизненно важных биологических препаратов. Технология в настоящее время находится на стадии патентования, и команда работает над тем, чтобы вывести свою инновацию на рынок через новую стартап-компанию Lontra Bio LLC, которая нацелена на коммерциализацию этих синтетических антиобледенительных белков.
Предоставлено Университетом Юты.