Lorsque du matériel biologique (cellules, du sang, tissus) est congelé, les cryoprotecteurs sont utilisés pour prévenir les dommages associés à la formation de glace pendant le processus de congélation. De nouveaux cryoprotecteurs polymériques font leur apparition, aux côtés des cryoprotecteurs établis, mais comment ils parviennent exactement à contrôler la formation et la croissance de la glace est encore largement inconnu. Cela est particulièrement vrai pour le PVA, un polymère synthétique trompeusement simple qui interagit avec la glace au moyen de mécanismes qui ont maintenant été révélés au niveau atomistique grâce à des chercheurs de l'Université de Warwick.

Les cryoprotecteurs sont essentiels lors de la congélation de matériel biologique pour réduire les dommages cellulaires impliqués dans la formation de glace. Recristallisation de la glace, c'est le processus par lequel les plus gros cristaux de glace se développent au détriment des plus petits, est l'un des enjeux majeurs affectant les protocoles de cryoconservation actuels et il est encore mal compris. Des chercheurs de l'Université de Warwick ont ​​étudié comment un polymère plutôt populaire susceptible d'être utilisé en cryoconservation se lie aux cristaux de glace en croissance.

Dans le journal, intitulé "Les détails atomistiques de l'activité d'inhibition de la recristallisation de la glace du PVA, " publié dans la revue Communication Nature , des chercheurs de l'Université de Warwick ont ​​découvert que, contrairement au consensus émergent, des chaînes polymères plus ou moins longues de poly(vinyl)alcool (PVA) se lient toutes à la glace.

Jusqu'à maintenant, la communauté a travaillé en supposant que les polymères courts ne se lient pas assez fortement aux cristaux de glace, mais dans ce travail, le Dr Sosso et ses collaborateurs ont démontré que c'est l'équilibre subtil entre ces interactions de liaison et le volume effectif occupé par les polymères à l'interface avec la glace qui détermine leur efficacité à empêcher la recristallisation de la glace.

Ce travail rassemble des mesures expérimentales d'inhibition de la recristallisation de la glace et des simulations informatiques. Ces derniers sont des outils précieux pour mieux comprendre des processus tels que la formation de glace, car ils sont capables de voir ce qui se passe dans des processus très rapides ou très petits qui sont difficiles à voir même avec les techniques expérimentales les plus avancées.

Ce travail apporte un éclairage nouveau sur les principes fondamentaux au cœur de la recristallisation de la glace, identifier les principes de conception qui peuvent être directement exploités pour concevoir la prochaine génération de cryoprotecteurs. Cette réalisation témoigne de la force de ce qui est affectueusement connu sous le nom de « Team Ice » à Warwick, un réseau de collaboration sans cesse croissant avec le potentiel d'avoir un impact énorme sur de nombreux aspects de la formation de la glace, de la science de l'atmosphère à la chimie médicinale.

Fabienne Bachtiger, un doctorat étudiant travaillant dans le groupe de recherche du Dr Sosso (Département de chimie) qui a dirigé ce travail, explique :

"Nous avons constaté que même des chaînes de PVA assez courtes, contenant seulement dix unités polymériques, se lier à la glace, et que les petits copolymères séquencés de PVA se lient également. Il est important que la communauté expérimentale le sache, car ils ont travaillé sous différentes hypothèses jusqu'à présent. En réalité, cela signifie que nous pouvons utiliser avec succès des polymères beaucoup plus petits qu'on ne le pensait auparavant. Ce sont des informations cruciales pour aider au développement de nouveaux cryoprotecteurs plus actifs. »

Dr Gabriele Sosso, du Département de chimie de l'Université de Warwick, qui dirige un effort de calcul substantiel pour étudier la formation de glace dans la matière biologique, dit, "Avec cette contribution, nous avons ajouté une pièce cruciale au puzzle de la façon dont les cryoprotecteurs polymères interagissent exactement avec la croissance des cristaux de glace. Cela fait partie d'un ensemble plus vaste de travaux informatiques et théoriques que mon groupe poursuit dans le but de comprendre comment les cryoprotecteurs fonctionnent à le niveau moléculaire, afin d'identifier des principes de conception qui peuvent être directement sondés par nos collègues expérimentateurs. Warwick est l'endroit idéal pour approfondir notre compréhension de la glace, et ce travail montre l'impact de la collaboration très excitante entre mon groupe de recherche et le groupe Gibson."

Professeur Matthew Gibson, du Département de chimie et de la Warwick Medical School de l'Université de Warwick, dit, « La recristallisation de la glace est un véritable défi en cryobiologie, entraînant des dommages aux cellules mais aussi aux aliments surgelés ou aux infrastructures. Comprendre comment même ce polymère "simple" fonctionne pour contrôler la recristallisation de la glace est un grand pas en avant pour découvrir de nouveaux cryoprotecteurs, et finalement de les utiliser dans le monde réel."