Μίμηση της Φύσης στην Κρυοσυντήρηση
Η κατάψυξη θεωρείται ως η καλύτερη τεχνική για τη μακροχρόνια συντήρηση τροφίμων, οργάνων, ακόμη και ζωντανών οργανισμών. Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, οι αντιδράσεις επιβραδύνονται και η μικροβιακή δραστηριότητα μειώνεται στο ελάχιστο. Αν και είναι η τεχνική επιλογής όσον αφορά τη συντήρηση, η κρυοσυντήρηση θέτει αρκετές προκλήσεις.
Το νερό είναι το πιο κοινό συστατικό των κυττάρων στους ζωντανούς οργανισμούς και όταν πέφτει η θερμοκρασία, το νερό μετατρέπεται σε πάγο. Το ίδιο συστατικό που είναι απαραίτητο για τη ζωή γίνεται επιβλαβές. Κατά την κατάψυξη, η κρυστάλλωση του νερού διαταράσσει τα κύτταρα με τρόπο που, σε πολλές περιπτώσεις, είναι μη ανακτήσιμος κατά την απόψυξη, οδηγώντας σε κυτταρικό θάνατο σε ζωντανούς οργανισμούς ή όργανα.
Υπάρχουν διάφορες λύσεις για την ελαχιστοποίηση αυτών των επιπτώσεων, όπως η χρήση ειδικών βαθμίδων χρόνου κατάψυξης για τον έλεγχο του αριθμού και του μεγέθους των ενδοκυτταρικών κρυστάλλων πάγου ή η χρήση κρυοπροστατευτικών, προάγοντας την αμορφοποίηση του νερού, αποφεύγοντας έτσι πλήρως ή εν μέρει τη διαδικασία κρυστάλλωσης. Η λύση για πιο πολύπλοκα συστήματα είναι η χρήση κρυοσυντηρητικών παραγόντων. Ωστόσο, η ανάγκη για υψηλές συγκεντρώσεις κρυοσυντηρητικών μπορεί μερικές φορές να οδηγήσει σε προβλήματα τοξικότητας.
Αν και η κρυοσυντήρηση είναι μια αγορά υψηλής αξίας, δεν διαθέτει αποτελεσματικές λύσεις. Τα παραδείγματα εφαρμογής αυτής της τεχνικής στη βιομηχανία είναι κυρίως στην αποθήκευση εμβρύων, σπέρματος και βλαστοκυττάρων όπου είναι αποδεκτό μεγάλο ποσοστό κυτταρικού θανάτου κατά την απόψυξη.
Η λύση για αυτό το πρόβλημα προέρχεται από την ίδια τη φύση. Από την αρχή του χρόνου, η ανθρωπότητα μιμείται τη φύση για να αναπτύξει νέες τεχνολογίες, προϊόντα και λύσεις για καθημερινά προβλήματα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τις βιομηχανίες φαρμάκων και τροφίμων που αναζητούν νέα, ασφαλέστερα και καλύτερα φάρμακα και πρόσθετα τροφίμων. Η ίδια αρχή μπορεί να εφαρμοστεί και στην κρυοσυντήρηση. Μέσα από εκατομμύρια χρόνια, τα έμβια όντα έχουν προσαρμοστεί σε μερικά από τα πιο σκληρά περιβάλλοντα στον πλανήτη, αναπτύσσοντας μηχανισμούς που τους επιτρέπουν να επιβιώνουν σε ακραίες συνθήκες. Ως μέρος αυτών των μηχανισμών, έχει παρατηρηθεί ότι μεταβολίτες όπως η τρεαλόζη, η γλυκόζη, οι πολυόλες ή τα αμινοξέα παράγονται ενδοκυτταρικά.
Στην περίπτωση της πετρόμυγας από την Αλάσκα (Nemoura arctica), η γλυκερίνη έχει βρεθεί ότι αυξάνεται κατά τρεις τάξεις μεγέθους στον εγκλιματισμό στο κρύο, οδηγώντας σε ποσοστό επιβίωσης 85% όταν υποβάλλονται σε -15 °C για 2,5 εβδομάδες. Τα ταρντιγάδια μπορούν να επιβιώσουν σε ακραίες συνθήκες, ζεστές και κρύες θερμοκρασίες, υψηλές συγκεντρώσεις φυσιολογικού ορού και ιοντική ακτινοβολία. Παρατηρήθηκε ότι η ποσότητα της τρεαλόζης αυξάνεται σχεδόν 23 φορές κατά την αφυδάτωση και το επίπεδο μειώνεται όταν ξεκινά η ενυδάτωση. Οι Somme και Meier ανέφεραν την επιβίωση των ένυδρων όψιμων μετά από σχεδόν 600 ημέρες στους -20 ºC και των αφυδατωμένων όψιμων για 3040 ημέρες στην ίδια θερμοκρασία.
Επιπλέον, η τρεαλόζη, τα σάκχαρα και οι πολυόλες βρέθηκαν να συσσωρεύονται σε πολλά άλλα ζώα με αντίσταση στο κρύο. Κατά τη διάρκεια του φθινοπώρου, παρατηρήθηκε συσσώρευση τρεαλόζης και γλυκόζης και στη συνέχεια, όταν οι συνθήκες υφίστανται ένα οριακό σημείο (υγρασία και θερμοκρασία), ξεκίνησε μια μαζική παραγωγή πολυολών. Την άνοιξη, οι αναγνωρισμένοι κρυοπροστατευτικοί μεταβολίτες πρακτικά απομακρύνθηκαν από τους ιστούς. Υπάρχει σαφής συσχέτιση μεταξύ αυτών των μεταβολιτών και των συστατικών που σχηματίζουν έναν βαθύ ευτηκτικό διαλύτη (DES).
Χρησιμοποιώντας αυτήν την εμπνευσμένη από τη φύση προσέγγιση, μπορούν να σχεδιαστούν νέα φυσικά DES (NADES) τα οποία είναι πιο αποτελεσματικά, φθηνότερα και περιβαλλοντικά ασφαλέστερα συστήματα για την κρυοσυντήρηση των κυττάρων. Ο ρόλος μιας τρίτης υγρής φάσης στη βιοχημεία των οργανισμών δεν έχει ακόμη διερευνηθεί πλήρως, ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες αναφορές στη βιβλιογραφία που σχετίζονται με την παρουσία NADES με την ικανότητα μεταφοράς και διάλυσης φτωχών υδατοδιαλυτών μορίων στα κύτταρα, καθώς και για τη βελτίωση της δραστηριότητας και της σταθερότητας των ενζύμων. Τα NADES διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον βιομετασχηματισμό αυτών των φτωχών υδατοδιαλυτών μορίων, παρέχοντας ένα υπόστρωμα στο οποίο μπορούν να διαλυτοποιηθούν τόσο οι διαλυμένες ουσίες όσο και τα ένζυμα.
Τα NADES σε υδατικό διάλυμα μπορούν να μειώσουν τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης του νερού ή να αποφύγουν εντελώς την κρυστάλλωση του νερού μέσω της υαλοποίησης του νερού. Έτσι το NADES σε υδατικά μέσα είναι σε θέση να διατηρήσει την ακεραιότητα των κυττάρων κατά τη διάρκεια των διεργασιών κατάψυξης και απόψυξης αποφεύγοντας τη χρήση πιο ακριβών, τοξικών παραγόντων κρυοσυντηρητικών. Η επιτυχία αυτής της εφαρμογής θα ανοίξει ευκαιρίες για τον μελλοντικό σχεδιασμό φθηνότερων και αποτελεσματικότερων συστημάτων κρυοσυντήρησης για ιστούς και όργανα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Natural deep eutectic systems as alternative nontoxic cryoprotective agents, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Cryobiology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τη Vânia I.B. Castro, Joana M. Silva και Rui L. Reis από το University of Minho και το ICVS/3B's PT Government Associated Laboratory, Rita Craveiro και Alexandre Paiva από το Universidade Nova de Lisboa και Ana Rita από το University of C. Duarte ICVS/3B's PT Government Associated Laboratory, και το Universidade Nova de Lisboa.
