الماء الذي لا يتجمد أبداً

الماء الذي لا يتجمد بحث حديث يمهد الطريق للمشاريع المستقبلية لتحديد كيفية حفظ البروتينات في شكلها الأصلي والتفاعل مع أغشية الدهون في درجات حرارة منخفضة للغاية.

من منا لا يستطيع تحضير مكعبات الثلج في المنزل ؟ كلنا نستطيع ذلك . فعملية صنع مكعبات الثلج أمر بسيط : حيث تتلخص هذه العملية البسيطة بأخذ علبة مكعبات الثلج البلاستيكية كما هو الحال في معظم المنازل ، و نقوم بملئها بالماء و من ثم نضعها في الثلاجة. و بعد ساعات ، سيتبلور الماء ويتحول إلى جليد في النهاية .

وفي حال كنت ترغب في تحليل بنية بلورات الجليد ، فسترى أن جزيئات الماء مرتبة في هياكل شبكية ثلاثية الأبعاد و منتظمة. أما في الماء ، وعلى النقيض من ذلك ، فإن الجزيئات غير منتظمة ، وهذا هو السبب الذي يجعل المياه تتدفق.

الماء الزجاجي

قامت مجموعة من الفيزيائيين والكيميائيين من زيوريخ وجامعة زيوريخ ETH Zurich and the University of Zurich وبقيادة الأستاذين رافايل ميزينجا Raffaele Mezzenga وإيهود لانداو Ehud Landau  ، بتحديد طريقة غير اعتيادية لمنع المياه من تكوين بلورات الجليد ، و لذلك وحتى في أقصى درجات الحرارة تحت الصفر تحتفظ الذرات بخصائص غير متبلورة للسائل .

حيث قام الباحثون كخطوة أولى بتصميم وتركيب فئة جديدة من الدهون lipids (جزيئات الدهون) لإنشاء شكل جديد من المادة البيولوجية "اللينة" المعروفة باسم المرحلة المتوسطة للدهون *lipidic mesophase (مرحلة بين الحالة الصلبة والسائلة ). إذ تتجمع جزيئات الدهون في هذه المادة و تجتمع ، ذاتياً و بشكل تلقائي لتشكيل أغشية ، متصرفة بطريقة مماثلة لجزيئات الدهون الطبيعية . ثم تعتمد هذه الأغشية ترتيباً موحداً لتشكيل شبكة من القنوات المتصلة التي يبلغ قطرها أقل من نانومتر واحد في قطر الدائرة . وتحدد درجة الحرارة والمحتوى المائي، بالإضافة إلى البنية الجديدة لجزيئات الدهون المصممة ، البنية التي تأخذها الجزيئات الدهنية في الطور المتوسط mesophase .

لا توجد مساحة لبلورات الماء:

إن ما يميز هذا الهيكل وهذه البنية والتركيبة بشكل استثنائي هي - على عكس علبة مكعبات الثلج – عدم وجود مكان في القنوات الضيقة للمياه لتشكيل بلورات الجليد ، لذلك تبقى الذرات في حالة فوضوية وغير منتظمة حتى في درجات الحرارة القصوى دون الصفر. كما أن جزيئات الدهون لا تتجمد أيضاً.

و تمكن الباحثون باستخدام الهليوم السائل ، من تبريد الطور الوسيط (المتوسط) الدهني الذي يتكون من أحادي الجلسرين monoacylglycerol المعدل كيميائياً لدرجة حرارة منخفضة جداً تصل إلى 263 درجة مئوية تحت الصفر ، أي ما يزيد عن 10 درجات مئوية فوق درجة حرارة الصفر المطلقة ، و لا تزال لم تتشكل بلورات جليدية بعد. وعند درجة الحرارة هذه ، أصبح الماء "زجاجياً " glassy ، حيث تمكن الباحثون من التثبت والتأكد من هذه الحالة في المحاكاة. وقد نُشرت مؤخراً دراستهم لهذا السلوك غير المألوف للمياه عندما يتم حصرها وحبسها داخل الطور الوسيط لجزيئات الدهون lipidic mesophase في مجلة Nature Nanotechnology.

ويوضح البروفيسور رافايل ميزينجا Raffaele Mezzenga من مختبر المواد الغذائية والناعمة في ETH زيوريخ Laboratory of Food & Soft Materials at ETH Zurich ذلك قائلاً: " إن العامل الرئيسي هو نسبة الدهون إلى الماء" . وتبعاً لذلك ، فإن محتوى الماء في الخليط هو الذي يحدد درجات الحرارة التي تتغير فيها هندسة الطور المتوسط . فعلى سبيل المثال ، إذا كان الخليط يحتوي على 12% من المياه من حيث الحجم ، فسوف ينتقل هيكل (بنية) الطور المتوسط عند درجة حرارة تبلغ حواي 15 درجة مئوية تحت الصفر من متاهة مكعبة cubic labyrinth إلى بنية صفائحية (شبيهة بالرقائق) lamellar structure .

طبيعة البكتيريا المضادة للتجمد :

يقول إيهود لانداو Ehud Landau ، أستاذ الكيمياء في جامعة زيوريخ Chemistry at the University of Zurich : " إن ما يجعل عملية تطوير هذه الدهون صعبة للغاية هو تركيبتها وتنقيتها". و يوضح أن السبب في ذلك هو أن جزيئات الدهون تحتوي على جزئين ؛ أحدهما نافر من الماء hydrophobic  (مقاوم للماء) والآخر محب للماء hydrophilic (يجذب الماء). و يضيف لاندو Landau : " إن هذا الأمر يجعل من الصعب للغاية العمل معهم".

ولابد لنا هنا من الإشارة إلى أن المادة الحيوية الناعمة المكونة من أغشية الدهون والماء لها بنية معقدة تقلل وتقلص من تلامس و اتصال المياه مع الأجزاء النافرة من الماء hydrophobic  وتزيد من تفاعلها مع الأجزاء المحبة للماء hydrophilic .

و قام الباحثون بصياغة وتشكيل الفئة الجديدة من الدهون على أغشية بكتيريا معينة . وتنتج هذه البكتيريا أيضاً فئة خاصة من الدهون ذاتية التجميع والتي يمكن أن تحبس الماء بشكل طبيعي في داخلها ، مما يتيح للبكتيريا و المتعضيات المجهرية البقاء على قيد الحياة في البيئات شديدة البرودة.

ويقول لانداو: "إن الشيء الجديد المتعلق بجزيئات الدهون التي قمنا بتصنيعها هي إدخال حلقات ثلاثية الأجزاء أو الأطراف شديدة التوتر و الاهتياج في مواقع محددة داخل أجزاء الجزيئات النافرة من الماء ". و يتابع : "إن ما يحصل يساعد في التمكن من الانحناء اللازم لإنتاج مثل هذه القنوات المائية الصغيرة وتمنع الدهون من التبلور."

مادة لينة للبحث :

هذه الوسائط الدهنية الجديدة تستخدم في المقام الأول كأداة للباحثين الآخرين . حيث يمكن استخدامها لعزل الجزيئات الحيوية الكبيرة وحفظها ودراستها بطريقة غير مدمرة في بيئة تحاكي تركيبة الغشاء ، و ذلك من خلال استخدام المجهر الإلكتروني المبرد cryogenic electron microscopy مثلاً. و تظهر الأبحاث أن علماء الأحياء يتحولون و بشكل متزايد إلى هذه الطريقة لتحديد هياكل ووظائف الجزيئات الحيوية الكبيرة مثل البروتينات أو المجمعات الجزيئية الكبيرة.

و يقول ميزنغا Mezzenga : " في عملية التجميد العادية ، وعندما تتشكل بلورات الجليد فإنها عادة ما تتضرر، كما تتعرض الأغشية والجزيئات الحيوية الكبيرة المهمة إلى التدمير ، مما يمنعنا من تحديد تركيبتها ووظائفها عندما تتفاعل مع أغشية الدهون"

ولكن الأمر مختلف مع الطور المتوسط الجديد mesophase ، إذ أننا نتحدث هنا عن الدهون lipids ، فهي غير مدمرة وتحافظ على هذه الجزيئات في حالتها الأصلية وبوجود لبنة أساسية أخرى في الحياة  .وهنا يقول بروفيسور من ETH " إن أبحاثنا تمهد الطريق للمشاريع المستقبلية لتحديد كيفية حفظ البروتينات في شكلها الأصلي والتفاعل مع أغشية الدهون في درجات حرارة منخفضة للغاية".

Mesophase   : الطور المتوسط هو حالة المادة الوسيطة بين السائل والصلب. الجيلاتين هو مثال شائع على بنية مرتبة جزئياً في الطور المتوسط. علاوة على ذلك ، فإن التركيبات البيولوجية مثل طبقات الدهون في أغشية الخلايا هي أمثلة على الميسوفاز (الطور الوسيط).