冷凍は、食品、臓器、さらには生物を長期保存するための最良の技術と見なされています。温度が下がると、反応が遅くなり、微生物の活動が最小限に抑えられます。保存に関しては最適な手法ですが、凍結保存にはいくつかの課題があります。
水は生物の細胞の最も一般的な成分であり、温度が下がると水は氷になります。生きていく上で不可欠な同じ要素が有害になります。凍結すると、水の結晶化によって細胞が崩壊し、多くの場合、解凍すると元に戻せなくなり、生体や器官の細胞死につながります。
細胞内氷結晶の数とサイズを制御するための特定の凍結時間勾配の使用、または水の非晶質化を促進して結晶化プロセスを完全にまたは部分的に回避する凍結保護剤の使用など、これらの影響を最小限に抑えるためのいくつかの解決策があります。より複雑なシステムの解決策は、凍結保存剤の使用です。ただし、高濃度の凍結保存剤が必要なため、毒性の問題が生じることがあります。
凍結保存は価値の高い市場ですが、効率的なソリューションが不足しています。業界でのこの技術の実装例は、主に、解凍時に大量の細胞死が許容される胚、精子、および幹細胞の保存です。
この問題の解決策は、自然そのものからもたらされます。人類は太古の昔から、日常の問題に対する新しい技術、製品、解決策を開発するために、自然を模倣してきました。これは、新しく、より安全で、より優れた医薬品や食品添加物を求めている製薬業界や食品業界に特に当てはまります。同じ原理が凍結保存にも適用できます。何百万年もの間、生物は地球上で最も過酷な環境のいくつかに適応し、極限状態を生き残るためのメカニズムを開発してきました。これらのメカニズムの一部として、トレハロース、グルコース、ポリオール、またはアミノ酸などの代謝産物が細胞内で生成されることが観察されています.
アラスカ産のカワゲラ (Nemoura arctica) の場合、グリセロールは寒冷順応で 3 桁増加することがわかっており、-15 °C に 2.5 週間さらされた場合、生存率は 85% になります。クマムシは、極端な条件、高温と低温、高塩分濃度、およびイオン放射で生き残ることができます。トレハロースの量は、脱水時にほぼ 23 倍に増加し、水分補給が開始されるとレベルが低下することが観察されました。 Somme と Meier は、-20 ºC でほぼ 600 日後に水和クマムシが生存し、同じ温度で 3040 日間脱水クマムシが生存したことを報告しました。
さらに、トレハロース、糖、およびポリオールが、耐寒性を持つ他のいくつかの動物に蓄積されていることがわかりました。秋にはトレハロースやブドウ糖の蓄積が見られ、湿度や温度が一定の閾値を超えると、ポリオールの大量生産が始まりました。春には、同定された凍結保護代謝産物が実質的に組織から除去されました。これらの代謝物と、深共晶溶媒 (DES) を形成する成分との間には明確な相関関係があります。
この自然に着想を得たアプローチを使用して、新しい自然 DES (NADES) を設計することができます。これは、細胞の凍結保存のためのより効果的で、安価で、環境的に安全なシステムです。生物の生化学における第 3 の液相の役割はまだ十分に調査されていませんが、NADES の存在を細胞内の水溶性の低い分子を輸送および溶解する能力に関連付ける文献がいくつかあります。酵素の活性と安定性を改善します。 NADES は、これらの水に溶けにくい分子の生体内変化において重要な役割を果たし、溶質と酵素の両方を可溶化できる基質を提供します。
水溶液中のNADESは、水の結晶化温度を下げるか、水のガラス化による水の結晶化を完全に回避することができます。したがって、水性媒体中のNADESは、凍結および解凍プロセス中に細胞の完全性を維持することができ、より高価で有毒な凍結保存剤の使用を回避します。このアプリケーションの成功は、組織や臓器のためのより安価で効果的な凍結保存システムの将来の設計の機会を開くでしょう.
これらの調査結果は、Cryobiology 誌に最近掲載された代替の非毒性凍結保護剤としての自然深共晶系というタイトルの記事に記載されています。 この作業は、Vânia I.B. によって実施されました。 Castro、 Joana M. Silva、 Rui L. Reis はミーニョ大学、ICVS/3B の PT 政府関連研究所、Rita Craveiro と Alexandre Paiva は Universidade Nova de Lisboa から、 Ana Rita C. Duarte は ミーニョ大学から、 ICVS/3B の PT Government Associated Laboratory、および Universidade Nova de Lisboa。
