Correlación predictiva y comprensión mecanicista de la nucleación de hielo en soluciones crioprotectoras

Área de la Ciencia:

• Biofísica
• Ciencia de materiales
• Biotecnología

Sus antecedentes:

• La cristalización del hielo es un obstáculo importante en la criopreservación, que limita la viabilidad de células y tejidos.
• El desarrollo actual de agentes crioprotectores (CPA) se basa en gran medida en métodos empíricos debido a la falta de comprensión de la inhibición de la nucleación del hielo.
• Las estrategias de criopreservación efectivas requieren un control preciso de los procesos de nucleación del hielo.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un modelo cuantitativo que prediga la temperatura de nucleación del hielo en función de las propiedades del CPA y las condiciones experimentales.
• Elucidar los mecanismos moleculares por los cuales los CPA inhiben la nucleación del hielo.
• Proporcionar una base racional para el diseño de agentes crioprotectores de próxima generación.

Principales métodos:

• Desarrollo de una correlación parametrizada para predecir la temperatura de nucleación.
• Análisis a nivel microscópico de la estructura y dinámica del agua en presencia de CPA.
• Evaluación de los efectos de los CPA en la disposición tetraédrica del agua, la entropía y la dinámica de los enlaces de hidrógeno.

Principales resultados:

• Una correlación parametrizada predice con precisión la temperatura de nucleación en función del tipo de CPA, la concentración, el volumen de la muestra y la velocidad de enfriamiento.
• Se demostró que los CPA alteran la estructura tetraédrica del agua y aumentan su entropía.
• Los CPA forman fuertes enlaces de hidrógeno con el agua, lo que dificulta el movimiento molecular y aumenta la barrera energética para la nucleación del hielo.

Conclusiones:

• El estudio dilucida la base fisicoquímica de la inhibición de la nucleación del hielo mediada por CPA.
• El modelo predictivo desarrollado ofrece una guía cuantitativa para controlar la nucleación del hielo en la criopreservación.
• Los hallazgos allanan el camino para el diseño racional de agentes crioprotectores más efectivos para aplicaciones avanzadas de criopreservación.