Kryoprotektant - Cryoprotectant

A kryoprotektant je látka používaná k ochraně biologická tkáň z zmrazení poškození (tj. že kvůli led formace). Arktický a antarktický hmyz, Ryba a obojživelníci vytvářet kryoprotektory (nemrznoucí směsi a nemrznoucí proteiny ) v jejich tělech, aby se minimalizovalo poškození mrazem během chladných zimních období. Kryoprotektory se také používají k konzervování živých materiálů při studiu biologie ak konzervování potravinářských výrobků.

Po celá léta glycerol byl použit v kryobiologie jako kryoprotektant pro krevní buňky a býčí sperma, umožňující skladování v tekutý dusík teploty. Glycerol však nelze použít k ochraně celku orgány před poškozením. Místo toho mnoho biotechnologických společností zkoumá vývoj dalších kryoprotektorů, které jsou pro takové použití vhodnější. Úspěšný objev může nakonec umožnit většinu kryogenní skladování (nebo "bankovnictví") transplantovatelné lidské a xenobiotikum orgány. Zásadní krok tímto směrem již nastal. Medicína dvacátého prvního století vitrifikoval a králičí ledviny až -135 ° C s jejich vlastním vitrifikačním koktejlem. Po opětovném zahřátí byla ledvina úspěšně transplantována králíkovi s úplnou funkčností a životaschopností, schopného udržet králíka na neurčito jako jedinou funkční ledvinu.[1]

Mechanismus

Kryoprotektory působí zvýšením koncentrace rozpuštěné látky v buňkách. Aby však byly biologicky životaschopné, musí snadno pronikat a nesmí být toxické pro buňky.

Teplota skelného přechodu

Některé kryoprotektory fungují snížením teplota skleněného přechodu roztoku nebo materiálu. Tímto způsobem kryoprotektant zabraňuje skutečnému zamrznutí a řešení si zachovává určitou flexibilitu ve skelné fázi. Mnoho kryoprotektorů funguje také formováním Vodíkové vazby s biologickými molekulami, protože molekuly vody jsou přemístěny. Vodíková vazba ve vodných roztocích je důležitá pro správnou funkci bílkovin a DNA. Jak tedy kryoprotektant nahrazuje molekuly vody, biologický materiál si zachovává svou přirozenou fyziologickou strukturu a funkci, i když již nejsou ponořeny do vodného prostředí. Tato strategie uchování se nejčastěji používá v anhydrobiosis.

Toxicita

Směsi kryoprotektorů mají méně toxicita a jsou účinnější než kryoprotektory s jedinou látkou.[2] Směs formamid s DMSO (dimethylsulfoxid ), propylenglykol a a koloidní byl po mnoho let nejúčinnějším ze všech uměle vytvořených kryoprotektorů. Byly použity směsi kryoprotektantů vitrifikace (tj. tuhnutí bez tvorby krystalického ledu). Vitrifikace má důležité aplikace při ochraně embryí, biologický tkáně a orgány pro transplantace. Vitrifikace se také používá v kryonika ve snaze eliminovat poškození způsobené mrazem.

Konvenční

Konvenčními kryoprotektory jsou glykoly (alkoholy obsahující alespoň dva hydroxyl skupiny), jako např ethylenglykol[Citace je zapotřebí ], propylenglykol a glycerol. Ethylenglykol se běžně používá jako automobil nemrznoucí směs; zatímco propylenglykol byl použit ke snížení tvorby ledu v zmrzlina. Dimethylsulfoxid (DMSO) je také považován za konvenční kryoprotektant. Glycerol a DMSO byly používány po celá desetiletí kryobiologové snížit tvorbu ledu v spermie,[3] oocyty,[4] a embrya které jsou konzervovány za studena tekutý dusík. Kryokonzervace živočišných genetických zdrojů je praxe, která zahrnuje konvenční kryoprotektory k ukládání genetického materiálu se záměrem budoucího oživení. Trehalóza je neredukující cukr produkovaný kvasinkami a hmyzem ve velkém množství. Jeho použití jako kryoprotektiva v komerčních systémech je široce patentováno.

Příklady v přírodě

Použití arktických ryb nemrznoucí proteiny, někdy doplněné o cukry, jako kryoprotektory.

Hmyz

Další informace: Nemrznoucí protein a Threitol

Hmyz nejčastěji používá cukry nebo polyoly jako kryoprotektory. Jeden druh, který používá kryoprotektant, je Polistes exclamans (vosa). U tohoto druhu lze k rozlišení morfologií použít různé hladiny kryoprotektantu.[5]

Obojživelníci

Arktida přizpůsobená chladu žáby (např., dřevěná žába ) a některé další ectotherms v polární a podpolární oblasti přirozeně vyrábět glukóza,[6] ale jižní hnědé rosničky a Arktida mloci vytvořit glycerol v jejich játra ke snížení tvorby ledu.

Když se arktické žáby používají jako kryoprotektant glukózy, uvolňuje se při nízké teplotě obrovské množství glukózy a speciální forma inzulín umožňuje vstupu této extra glukózy do buněk. Když se žába během dne znovu zahřeje jaro, extra glukóza musí být rychle odstraněna, ale uložena.

Konzervace potravin

Kryoprotektory se také používají k konzervování potravin. Tyto sloučeniny jsou obvykle cukry, které jsou levné a nepředstavují žádné obavy z toxicity. Například mnoho (syrových) zmrazených kuřecích výrobků obsahuje sacharózu a fosforečnany sodné roztok ve vodě.

Běžný

Viz také

Reference

  1. ^ Fahy GM; Wowk B; Pagotan R; Chang A; et al. (2009). „Fyzikální a biologické aspekty vitrifikace ledvin“. Organogeneze. 5 (3): 167–175. doi:10,4161 / org.5.3.9974. PMC  2781097. PMID  20046680.
  2. ^ Best, BP (2015). „Toxicita kryoprotektantů: fakta, problémy a otázky“. Omlazovací výzkum. 18 (5): 422–436. doi:10.1089 / rej.2014.1656. PMC  4620521. PMID  25826677.
  3. ^ Imrat, P .; Suthanmapinanth, P .; Saikhun, K .; Mahasawangkul, S .; Sostaric, E .; Sombutputorn, P .; Jansittiwate, S .; Thongtip, N .; et al. (Únor 2013). „Vliv kvality zmrazeného spermatu, plniva a kryoprotektiva na kvalitu po rozmrazení spermatu asijského slona (Elephas maximus indicus)“ (PDF). Kryobiologie. 66 (1): 52–59. doi:10.1016 / j.cryobiol.2012.11.003. PMID  23168056.
  4. ^ Karlsson, Jens O.M .; Szurek, Edyta A .; Higgins, Adam Z .; Lee, Sang R .; Eroglu, Ali (únor 2014). „Optimalizace plnění kryoprotektantu do myších a lidských oocytů“. Kryobiologie. 68 (1): 18–28. doi:10.1016 / j.cryobiol.2013.11.002. PMC  4036103. PMID  24246951.
  5. ^ J. E. Strassmann; RE. Lee Jr.; R.R. Rojas & J.G Baust (1984). „Kasty a rozdíly mezi pohlavími v odolnosti vůči chladu u sociálních vos, Polistes annularis a P. exclamans“. Insectes Sociaux. 31 (3): 291–301. doi:10.1007 / BF02223613.
  6. ^ Larson, D. J .; Middle, L .; Vu, H .; Zhang, W .; Serianni, A. S .; Duman, J .; Barnes, B. M. (15. dubna 2014). „Přizpůsobení dřevorubců přezimování na Aljašce: Nové limity tolerance mrazu“. Journal of Experimental Biology. 217 (12): 2193–2200. doi:10.1242 / jeb.101931. PMID  24737762.