Кіріспе
Биологиялық тіндерді мұздаудан зақымданудан қорғау үшін қолданылатын зат – криопротектор. Криопротектор – биологиялық тіндерді мұздаудан (яғни мұз түзілуден туындайтын) зақымданудан қорғауға арналған зат. Арктикалық және Антарктидалық жәндіктер, балықтар және қосмекенділер суық қысқы кезеңдерде мұзданудан болатын зақымды азайту үшін өз денелерінде криопротекторлар (мұздауға қарсы қосылыстар мен мұздауға қарсы ақуыздар) өндіреді. Криопротекторлар биологияны зерттеуде тірі материалдарды сақтауға, сондай-ақ тағам өнімдерін сақтауға да қолданылады. Криобиологияда глицерин көп жылдар бойы қан жасушаларын және бұқа спермасын криопротектор ретінде пайдаланылып келеді, бұл -196 °C температурада сұйық азотта сақтауға мүмкіндік береді. Дегенмен, глицерин бүкіл мүшелерді зақымданудан қорғау үшін қолданылмайды. Оның орнына көптеген биотехнологиялық компаниялар осындай мақсаттарға арналған басқа криопротекторларды зерттеуде. Егер осы зерттеулер сәтті аяқталса, трансплантацияға жарамды адам және ксенобиот мүшелерін криогендік сақтауға (немесе "банктеуге") мүмкіндік туады. Осы бағыттағы маңызды қадам жасалды. 21 ғасыр медицинасы өзінің арнайы витрификациялық қоспасын қолданып, қоян бүйрегін 135 °C температураға дейін шыныландырды. Қайта қыздыру кезінде бүйрек қоянға сәтті трансплантацияланды, толыққанды жұмыс істеді және тірі қалу қабілетіне ие болды, қоянды шексіз уақыт бойы жалғыз жұмыс істейтін бүйрек ретінде қамтамасыз ете алды.
A cryoprotectant is a substance used to protect biological tissue from freezing damage (i. e. that due to ice formation). Arctic and Antarctic insects, fish and amphibians create cryoprotectants (antifreeze compounds and antifreeze proteins) in their bodies to minimize freezing damage during cold winter periods. Cryoprotectants are also used to preserve living materials in the study of biology and to preserve food products. For years, glycerol has been used in cryobiology as a cryoprotectant for blood cells and bull sperm, allowing storage in liquid nitrogen at temperatures around −196 °C. However, glycerol cannot be used to protect whole organs from damage. Instead, many biotechnology companies are researching the development of other cryoprotectants more suitable for such uses. A successful discovery may eventually make possible the bulk cryogenic storage (or "banking") of transplantable human and xenobiotic organs. A substantial step in that direction has already occurred. Twenty First Century Medicine has vitrified a rabbit kidney to 135 °C with their proprietary vitrification cocktail. Upon rewarming, the kidney was successfully transplanted into a rabbit, with complete functionality and viability, able to sustain the rabbit indefinitely as the sole functioning kidney.
Механизм
Криопротекторлар жасушалардағы ерітінділердің концентрациясын арттыру арқылы әрекет етеді. Дегенмен, олардың биологиялық белсенділігін сақтауы үшін жасушаларға оңай өтуі және жасушаларға зиян келтірмеуі қажет.
Шыныға айналу температурасы
Кейбір криопротекторлар ерітіндінің немесе материалдың шыны тәрізді күйге өту температурасын төмендету арқылы әрекет етеді. Осылайша, криопротектор нақты қатырудың алдын алады, ал ерітінді шыны фазасында біршама икемділігін сақтайды. Көптеген криопротекторлар су молекулалары ығысқанда биологиялық молекулалармен сутекті байланыстар құру арқылы да әрекет етеді. Сулы ерітінділердегі сутекті байланыс дұрыс ақуыз және ДНК жұмысы үшін маңызды. Сондықтан, криопротектор су молекулаларын алмастырғанда, биологиялық материал өзінің табиғи физиологиялық құрылымын және қызметін сақтайды, бірақ олар енді сулы ортада емес. Бұл сақтау стратегиясы көбінесе ангидробиоз кезінде қолданылады.
Уыттылық
Криопротекторлардың қоспалары бір түрлі криопротекторлардан аз зиянды және тиімдірек. Формамид пен ДМСО (диметилсульфоксид), пропиленгликоль және коллоидтың қоспасы көп жылдар бойы жасалған криопротекторлардың ішінде ең тиімдісі саналды. Криопротекторлардың қоспалары шынылану (кристалдық мұз түзелмейтін қатаю) үшін қолданылады. Шынылану эмбриондарды, биологиялық тіндерді және трансплантацияға арналған органдарды сақтауда маңызды рөл атқарады. Сонымен қатар, шынылану крионикада да қолданылады, мұның мақсаты тоңдырудан болатын зақымды азайту.
Кәдімгі
Дәстүрлі криопротекторлар - этиленгликоль, пропиленгликоль және глицерин сияқты гликолдер (кем дегенде екі гидроксил тобын қамтитын спирттер). Этиленгликоль көбінесе автомобильдердегі антифриз ретінде қолданылады, ал пропиленгликоль мұздың пайда болуын азайту үшін мұзқаймақ өндірісінде қолданылады. Диметил сульфоксиді (DMSO) де дәстүрлі криопротектор саналады. Глицерин мен DMSO криобиологтар тарапынан ондаған жылдар бойы сперматозоидтар, ооциттер және сұйық азотқа сақталатын эмбриондарда мұздың пайда болуын азайту үшін қолданылып келеді. Жануарлардың генетикалық ресурстарын криоконсервациялау – генетикалық материалды болашақта қайта жаңғырту мақсатында сақтауға бағытталған, дәстүрлі криопротекторларды қолданатын практика. Трегалоза – ашытқылар мен жәндіктер көп мөлшерде өндіретін тотықталмайтын қант. Оны коммерциялық жүйелерде криопротектор ретінде қолдану кеңінен патенттелген.
Табиғаттағы мысалдар
Арктикалық балықтар мұздан қорғау үшін антифриз ақуыздарын, кейде оларға қанттар қосылып, пайдаланады.
Құрт-құмырсқалар
Жәндіктер көбінесе қанттарды немесе полиолдарды криопротекторлар ретінде пайдаланады. Криопротекторды қолданатын бір түр – Polistes exclamans (қоңыраушы ара). Осы түрде криопротектордың әртүрлі деңгейлерін морфологиялық ерекшеліктерді анықтау үшін пайдалануға болады.
Құмтазылар
Мұзға бейімделген арктикалық бақалар, мысалы, ағаш бақалар, және полярлық және субполярлық аймақтардағы басқа эктотермдер табиғи түрде глюкоза өндіреді, бірақ оңтүстік қоңыр ағаш бақалары мен Арктикалық саламандралар мұздың пайда болуын азайту үшін бауырларында глицерин жасайды. Арктикалық бақалар глюкозаны криопротектор ретінде қолданғанда, төмен температурада үлкен мөлшерде глюкоза бөлінеді және бұл артық глюкозаның жасушаларға енуіне инсулиннің ерекше түрі мүмкіндік береді. Бақа көктемде қызып бастағанда, артық глюкоза тез жойылып, сақталуы керек.
Тамақтарды консервілеу
Криопротекторлар тағамдарды сақтау үшін де қолданылады. Бұл заттар көбінесе арзан және денсаулыққа зиян келтірмейтін қанттар болып табылады. Мысалы, көптеген (жасы) қатырылған тауық өнімдерінің құрамында судағы сахароза және натрий фосфаттарының ерітіндісі болады.