Die Physik des Eises: Alles beginnt mit der Keimbildung

Wenn eine Bioprobe kryokonserviert wird, verlangsamen sich die molekularen Bewegungen und zellulären Prozesse bis zum Glasübergang, an dem alle Aktivitäten zum Stillstand kommen und Zellen, Gewebe und sogar ganze Organismen über Jahre hinweg konserviert werden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Kryokonservierung das Herzstück der meisten modernen Biobankgeschäfte ist.

Aber obwohl das Konzept des Einfrierens einfach ist, ist der physikalische Prozess recht komplex. Die Art und Weise, wie das Einfrieren oder die Vitrifizierung erfolgt, kann sich dramatisch auf die Lebensfähigkeit der Zellen und die Qualität der Proben auswirken, wenn diese wieder auf wärmere Temperaturen gebracht werden.

Wir werden die physikalischen Eigenschaften von Eis und die wichtigsten Vorgänge beim Einfrieren und Auftauen von Proben (was ebenso wichtig ist wie das Kühlen) in einer Reihe von Blogbeiträgen erforschen, die sich eingehender mit dem Einfrierprozess befassen. In diesem ersten Beitrag beginnen wir mit dem ersten Schritt des Gefrierens, der Keimbildung.

Reines Wasser, das unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird, kann eine unterkühlte Flüssigkeit bleiben, bis es gestört wird. (Dieses Video unten bietet eine großartige Veranschaulichung dieses Punktes und ist ein großartiges wissenschaftliches Experiment für zu Hause, das man mit Kindern ausprobieren kann!)

In dem Video wird eine Wasserflasche angeschlagen, damit sich Eiskristalle bilden können, oder anders gesagt, ein Ort für die Keimbildung. Keimbildung ist ein Prozess, bei dem sich die Moleküle in einer Flüssigkeit zu winzigen Clustern zusammenfinden und sich so anordnen, dass die Kristallstruktur des Festkörpers entsteht. Es gibt zwei Arten der Keimbildung:

• Heterogene Keimbildung, die auftritt, wenn sich Eis um eine Keimbildungsstelle herum zu bilden beginnt, z. B. eine physikalische Störung, eine Verunreinigung (wie Salz) in der Flüssigkeit oder eine Unregelmäßigkeit in einem Behälter. Da es sich bei biologischen Proben nie um reines Wasser handelt, kommt es immer zu einer heterogenen Keimbildung.
• Homogene Keimbildung, die auftritt, wenn sich Eis ohne eine vordefinierte Keimbildungsstelle bildet. Reines Wasser gefriert bei ca. -39°C, wenn es keine Keimbildungsstellen gibt. In der Praxis ist eine homogene Keimbildung jedoch nicht häufig zu beobachten, da völlig reines Wasser selten ist.

In einer Übersichtsarbeit in der Zeitschrift Cryobiology heißt es: „Die Keimbildung von Eis ist die wichtigste unkontrollierte Variable bei der konventionellen Kryokonservierung, die zu Abweichungen von Probe zu Probe bei der Wiederherstellung, Lebensfähigkeit und Funktion von Zellen führt.“ Die Autoren empfehlen, den Keimbildungsprozess zu kontrollieren, und führen mehrere Gefriermethoden auf, von denen viele üblicherweise für IVF-Anwendungen verwendet werden:

• Seeding: Die Einführung eines externen Eiskristalls zur Förderung der Keimbildung bei einer bestimmten Temperatur. Um das Kontaminationsrisiko zu minimieren, wird das Seeding heute durch die Erzeugung einer kalten Stelle an der Außenseite des Behälters durchgeführt, z. B. durch eine kalte Zange an der Seite eines Strohhalms.
• Chemische Nukleierungsmittel: Eiskeimbildende Kristalle werden in das Probenmedium eingebracht. Chemische Nukleierungsmittel ermöglichen eine weitgehende Standardisierung bei verschiedenen Probentypen und sind ein aktives Forschungsgebiet.
• Elektrogefrieren: Elektrische Hochspannung wird verwendet, um die Eisbildung zu induzieren.
• Mechanische Methoden: Schütteln, Klopfen oder die Anwendung von Ultraschall können für die Keimbildung wirksam sein, sind aber schwer zu standardisieren.
• Schockkühlung/kontrolliertes Gefrieren: Wenn die Probe einer Reihe von schnellen Temperaturrampen ausgesetzt wird, kann die Keimbildung gefördert werden. Ein Gefriergerät mit kontrollierter Geschwindigkeit führt die Proben durch den Keimbildungsprozess.
• Druckverschiebung: Die Keimbildung kann ausgelöst werden, indem man die Probe unter Druck setzt, die Temperatur senkt und dann den Druck wieder ablässt.

Eine ausgezeichnete Einführung in die Eigenschaften der Eisbildung in biologischen Systemen und weitere Informationen über den Prozess der Keimbildung finden Sie im ersten Kapitel des bahnbrechenden Textes „Life in the Frozen State“ aus dem Jahr 2004, der allen, die mehr über diese Prozesse erfahren möchten, sehr zu empfehlen ist.