L'eau peut-elle atteindre moins 263 degrés Celsius sans se transformer en glace ? Oui il peut, disent des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich, s'il est confiné dans des canaux lipidiques à l'échelle nanométrique.

Faire des glaçons est un processus simple :vous prenez un bac à glaçons en plastique comme vous en trouverez dans la plupart des ménages, remplissez-le d'eau et mettez-le au congélateur. Avant longtemps, l'eau cristallise et se transforme en glace.

Si vous deviez analyser la structure des cristaux de glace, vous verriez que les molécules d'eau sont disposées dans des structures en treillis tridimensionnelles régulières. Dans l'eau, par contre, les molécules ne sont pas organisées, c'est la raison pour laquelle l'eau coule.

Eau vitreuse

Animé par les professeurs Raffaele Mezzenga et Ehud Landau, un groupe de physiciens et de chimistes de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich a identifié un moyen inhabituel d'empêcher l'eau de former des cristaux de glace, ainsi, même à des températures extrêmes inférieures à zéro, il conserve les caractéristiques amorphes d'un liquide.

Dans un premier temps, les chercheurs ont conçu et synthétisé une nouvelle classe de lipides (molécules de graisse) pour créer une nouvelle forme de matière biologique « molle » connue sous le nom de mésophase lipidique. Dans ce matériau, les lipides s'auto-assemblent et s'agrègent spontanément pour former des membranes, se comportent de la même manière que les molécules de graisse naturelles. Ces membranes adoptent alors une disposition uniforme pour former un réseau de canaux connectés mesurant moins d'un nanomètre de diamètre. Température et teneur en eau, ainsi que la nouvelle structure des molécules lipidiques conçues déterminent la structure que prend la mésophase lipidique.

Pas de place pour les cristaux d'eau

La particularité de cette structure est que, contrairement à un bac à glaçons, il n'y a pas de place dans les canaux étroits pour que l'eau forme des cristaux de glace, il reste donc désordonné même à des températures extrêmes inférieures à zéro. Les lipides ne gèlent pas non plus.

En utilisant de l'hélium liquide, les chercheurs ont pu refroidir une mésophase lipidique constituée d'un monoacylglycérol chimiquement modifié à une température aussi basse que moins 263 degrés Celsius, qui n'est qu'à 10 degrés au-dessus du zéro absolu, et toujours pas de cristaux de glace formés. A cette température, l'eau est devenue "vitreuse", comme les chercheurs ont pu le démontrer et le confirmer dans une simulation. Leur étude de ce comportement inhabituel de l'eau lorsqu'elle est confinée dans une mésophase lipidique a été récemment publiée dans la revue Nature Nanotechnologie .

"Le facteur clé est le rapport lipides/eau, " explique le professeur Raffaele Mezzenga du Laboratoire des aliments et des matériaux mous de l'ETH Zurich. En conséquence, c'est la teneur en eau du mélange qui détermine les températures auxquelles la géométrie de la mésophase change. Si, par exemple, le mélange contient 12 pour cent d'eau en volume, la structure de la mésophase passera à environ moins 15 degrés Celsius d'un labyrinthe cubique à une structure lamellaire.

Antigel naturel pour les bactéries

"Ce qui rend le développement de ces lipides si délicat, c'est leur synthèse et leur purification, " dit Ehud Landau, Professeur de chimie à l'Université de Zurich. Il explique que c'est parce que les molécules lipidiques ont deux parties; un qui est hydrophobe (repousse l'eau) et un qui est hydrophile (attire l'eau). "Cela les rend extrêmement difficiles à travailler, " il dit.

Le biomatériau mou formé des membranes lipidiques et de l'eau a une structure complexe qui minimise le contact de l'eau avec les parties hydrophobes et maximise son interface avec les parties hydrophiles.

Les chercheurs ont modélisé la nouvelle classe de lipides sur les membranes de certaines bactéries. Ces bactéries produisent également une classe spéciale de lipides auto-assemblés qui peuvent naturellement confiner l'eau à l'intérieur, permettant aux micro-organismes de survivre dans des environnements très froids.

"La nouveauté de nos lipides est l'introduction de cycles à trois chaînons hautement tendus dans des positions spécifiques au sein des parties hydrophobes des molécules", dit Landau. "Ceux-ci permettent la courbure nécessaire pour produire de si petits canaux d'eau et empêchent les lipides de cristalliser."

Matière molle pour la recherche

Ces nouvelles mésophases lipidiques serviront principalement d'outil pour d'autres chercheurs. Ils peuvent être utilisés pour isoler de manière non destructive, préserver et étudier de grosses biomolécules dans un environnement mimétique, par exemple en utilisant la microscopie électronique cryogénique. Les biologistes se tournent de plus en plus vers cette méthode pour déterminer les structures et les fonctions de grosses biomolécules telles que les protéines ou les grands complexes moléculaires.

"Dans le processus de congélation normal, lorsque les cristaux de glace se forment, ils endommagent et détruisent généralement les membranes et les grandes biomolécules cruciales, ce qui nous empêche de déterminer leur structure et leur fonction lorsqu'ils interagissent avec les membranes lipidiques, " dit Mezzenga.

Mais pas avec la nouvelle mésophase, qui est non destructif et préserve ces molécules dans leur état d'origine et en présence de l'autre élément clé de la vie, c'est les lipides. « Nos recherches ouvrent la voie à de futurs projets pour déterminer comment les protéines pourraient être conservées sous leur forme originale et interagir avec les membranes lipidiques à très basse température, " dit le professeur de l'ETH.

Cette nouvelle classe de matière molle pourrait également être utilisée dans des applications potentielles où l'eau doit être empêchée de geler. "Mais notre travail ne visait pas des applications exotiques, " Mezzenga dit :" Notre objectif principal était de donner aux chercheurs un nouvel outil pour faciliter l'étude des structures moléculaires à basse température sans cristaux interférant avec la glace, et finalement de comprendre comment deux composantes principales de la vie, c'est-à-dire l'eau et les lipides, interagissent dans des conditions extrêmes de température et de confinement géométrique », ajoute-t-il.