Химики из США, Австралии и Японии выяснили, что краситель сафранин О способен предотвращать кристаллизацию (замерзание) воды даже при небольших концентрациях. Эта способность ставит его в один ряд с белками-антифризами, позволяющими рыбам и другим организмам существовать при экстремально низких температурах. Вместе с тем, молекулы сафранина в 10–100 раз меньше этих белков. Традиционно этот краситель используется биологами для окраски клеточных ядер. Исследование опубликовано в Journal of American Chemical Society, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Замерзание раствора, содержащего около 10 миллиграмм сафранина в одном миллилитре. Сверху слева — температура раствора. Ran Drori et al. / J. Am. Chem. Soc.,2016

Белки-антифризы — специальные вещества, необходимые для выживания животных, живущих в условиях низких температур. Они способны к самоорганизации: упорядоченному «склеиванию» друг с другом, заставляющему их создавать протяженные структуры. Их строение напоминает кристаллическую структуру льда, поэтому если раствор таких белков начинает замерзать, они окружают небольшие кристаллы льда, словно бы продолжая их структуру. Этот процесс быстро останавливает рост кристаллов, поддерживая их размер постоянным вплоть до некоторой критической температуры. Благодаря этому внутри клеток организмов не возникает крупных кристаллов с острыми краями — подобные объекты могут разорвать клеточную стенку, тем самым уничтожив клетку. 

Самоорганизация белков-антифризов (сверху) и молекул сафранина (снизу). Ran Drori et al. / J. Am. Chem. Soc.,2016

Эти соединения были открыты еще в 1969 году Артуром де Фризом при исследовании костистых полярных рыб. Недавно группа химиков предположила, что аналогичными свойствами могут обладать и некоторые органические красители — их молекулы, также как и молекулы белков, способны к самоорганизации в протяженные цепочки. Авторы новой работы исследовали 27 различных красителей в попытке найти среди них «антифриз». Искомым веществом оказался сафранин О, диазиновый краситель, часто используемый в лабораторной практике. 

Структура сафранина О (слева) и кристалл, растущий в его присутствии (справа). Ran Drori et al. / J. Am. Chem. Soc.,2016

Оказалось, что всего 150 миллиграмм сафранина в литре воды было достаточно для того, чтобы остановить укрупнение кристаллов, возникавших при температуре замерзания раствора. По словам химиков, активность сафранина сравнима с белком-антифризом AFGP8, обнаруженным у гололобых нототений (Notothenia neglecta), но уступала некоторым другим известным веществам. При этом, молекулы AFGP8 почти в 10 раз массивнее, чем сафранин, что потребует пропорционально больше вещества в растворе для достижения того же эффекта.

Сафранин при концентрациях свыше 4,2 миллимоль в литре останавливает укрупнение кристаллов при температуре замерзания. Ran Drori et al. / J. Am. Chem. Soc.,2016

Интересно, что из-за самоорганизации сафранина на поверхности кристаллов льда изменялась и их форма. Вместо привычных шестиугольных пластинок образовывались иглы с шестиугольным сечением. **

Находка может найти медицинское применение, к примеру, в хранении и транспортировке образцов крови и других тканей. Образцы требуют охлаждения для того, чтобы избежать их порчи, однако кристаллы льда могут нарушать клеточную структуру. Также подобные низкомолекулярные антифризы могут найти применение в пищевой индустрии: некоторые белки-антифризы добавляются, к примеру, в мороженое для улучшения его текстуры.

Водные растворы солей обладают температурой замерзания меньшей, чем у чистой воды — это связано с термодинамическими свойствами растворов. Чем больше частиц (молекул или ионов, но не грамм вещества) растворено в воде, тем меньше будет температура замерзания. Благодаря этому, к примеру, плавится лед при нуле градусов Цельсия, если посыпать его солью. Вещества-антифризы дополнительно понижают точку замерзания и замедляют рост кристаллов.

Автор: Владимир Королёв