Medindo as densidades de vidros aquosos em temperaturas criogênicas

As propriedades físicas da água e das misturas aquosas nas suas diversas fases são de interesse fundamental e são importantes para a compreensão in vivo e in vitro dos sistemas biológicos. Na criobiologia contemporânea e na criopreservação biológica, as fases vítrea ou amorfa de misturas crioprotectoras aquosas são de particular interesse ^{1 , 2} . A nucleação eo crescimento de cristais de gelo podem perturbar células e tecidos e promover a desnaturação e agregação de proteínas, de modo que os protocolos de criopreservação que vitrificam o solvente tornaram-se cada vez mais populares. Na cristalografia biomolecular, a cristalização do solvente nos canais entre biomoléculas interrompe as redes de cristal e degrada as propriedades de difracção. A vitrificação é conseguida através de uma combinação de arrefecimento rápido, desidratação e adição de solutos crioprotetores tais como glicerol, etilenoglicol, polietilenoglicóis (PEGs),Álcoois e sais.

A vitrificação limita a cristalização e crescimento do gelo, mas não elimina todo o dano da amostra relacionado ao resfriamento. Por exemplo, a mosaicidade do cristal (uma medida da distribuição das orientações do plano de cristal) aumenta rotineiramente por um fator de 10 a 100 quando os cristais de proteína são arrefecidos em um estado vitrificado ³ e as taxas de sobrevivência pós-descongelamento de espermatozóides e oócitos vitrificados variam amplamente .

Um mecanismo de danos é a contração diferencial do solvente e do material circundante durante o resfriamento ^{3 , 4 , 5} . As concentrações de solvente e soluto de equilíbrio dentro de um cristal, célula ou tecido dependem da temperatura, e o solvente mais o soluto e o material circundante podem se contrair por diferentes quantidades. O resfriamento rápido pode evitar a redistribuição de solvente e soluto antes da vitrificação e contração diferencial Pode levar a tensões grandes, não homogêneas e sem equilíbrio que causam danos à amostra.

As abordagens racionais para reduzir o dano induzido pelo resfriamento podem assim beneficiar do conhecimento das densidades dependentes da temperatura de misturas aquosas líquidas e vitrificadas. Em concentrações de soluto acima de 50% de peso de soluto em peso de solução (p / p), a maioria das misturas de crioprotectores aquosas pode ser vitrificada com taxas de resfriamento moderadas de 10 K / s ou menos, permitindo a produção e medições de densidade usando grandes amostras vítreas ⁶ . A densidade pode então ser determinada usando o princípio de Arquimedes, medindo o peso aparente da amostra quando suspenso em um criógeno líquido como nitrogênio. No entanto, à medida que a concentração de soluto diminui, as taxas de resfriamento necessárias para a vitrificação aumentam rapidamente: as taxas de resfriamento para as misturas aquosas de glicerol aumentam de <10 K / s a ​​50% do peso do soluto em g para o volume de solução em mL (p / v) para> 1.000 K / s a ​​25% p / vAss = "xref"> 7. A transferência de calor torna-se limitada na camada limite, de modo que a obtenção de maiores taxas de resfriamento requer amostras menores e menores ⁸ .

As medições da densidade de água vítrea pura e gelo foram conseguidas através da deposição de diâmetro do micômetro (volume de femtoliter) em um vácuo em uma superfície de refrigeração criogênica, de modo a construir uma amostra macroscópica (massa de grama). A densidade desta amostra foi determinada por crioflotação em uma mistura de nitrogênio-árgon líquido, na qual a densidade do líquido criogênico foi ajustada até a amostra tornar-se neutra ⁹ . No entanto, gerar grandes amostras de um grande número de pequenas gotas de uma maneira que minimiza os volumes vazios – uma importante fonte de erro nas medidas anteriores de densidade de fase vítrea – não é trivial. Para misturas aquosas, a evaporação diferencial dos componentes da solução durante a aerossolização e deposição no vácuo pode levar aIncertezas substanciais nas concentrações depositadas.

Desenvolvemos um método, baseado na crioflotação, que permite a determinação precisa da densidade de misturas aquosas usando gotas individuais tão pequenas quanto 50 pL ¹⁰ . Estas gotas podem ser rapidamente arrefecidas mantendo suas concentrações originais e seu estado de temperatura criogênica (vitrificado ou cristalino) pode ser avaliado usando um ensaio visual simples que se correlaciona com as medidas de difração de raios X. Este método é amplamente aplicável a misturas aquosas e não aquosas e pode ser alargado a uma variedade de amostras biológicas, incluindo células ( por exemplo , caule e ovo), amostras de tecido e cristais de proteínas com densidades de baixa temperatura entre 0,8 e 1,4 g / ML.