Prevención de la nucleación de hielo por medio de poliglicerol.

Un método para evitar la nucleación y mejorar el super-enfriamiento del agua,

que comprende añadir poliglicerol que comprende la unidad estructural:

H[-OCH2CHOHCH2-]nOH

en la que n es de 2 a 1000 y en donde se añade poliglicerol en una concentración de una parte por millón a una parte en diez.

Prevención de la nucleación de hielo por medio de poliglicerol La presente invención se refiere a métodos de inhibición de la formación de hielo usando poliglicerol y moléculas relacionadas.

La prevención de la congelación de agua, y soluciones que contienen agua, es un problema de interés ambiental, agrícola, industrial y biomédico sustancial. El hielo sobre las calles peatonales, carreteras y alas de los aviones constituye un peligro ambiental para el transporte. La formación de hielo sobre y en el interior de las plantas provoca daños costosos en cultivos y jardinería. La congelación de soluciones anti-congelación, contenidos de tuberías, pinturas, cemento fresco y otras soluciones acuosas sometidas a temperaturas frías son cuestiones de interés en la industria. El hecho de evitar la formación de hielo durante el almacenamiento en frío de proteínas, virus, células, tejidos y órganos es un problema importante en criobiología.

Por debajo de una temperatura crítica (el punto de congelación de equilibrio) , la cristalización de agua para dar lugar a hielo se ve termodinámicamente favorecida. El punto de congelación de equilibrio de agua se puede rebajar por medio de la adición de solutos que reducen la presión de vapor de agua de manera que se convierte en equivalente a la presión de vapor del hielo únicamente a baja temperatura. Este medio clásico de rebaja del punto de congelación se denomina reducción del punto de congelación "coligativa", y es aproximadamente independiente de la naturaleza del soluto añadido, siendo el efecto proporcional a la fracción molar del soluto añadido independientemente de su naturaleza. La reducción del punto de congelación coligativa es la base física sobre la cual operan los agentes anti-congelación esencial y actualmente usados (tales como glicoles y sales) . La desventaja de la reducción del punto de congelación coligativa es que se requieren cantidades grandes de solutos (10 % o más) para rebajar el punto de congelación incluso unos pocos grados Celsius.

Más allá de la reducción del punto de congelación coligativa, existen dos medios independientes de rebajar el punto de congelación práctico del agua. El primero es inactivar los agentes de nucleación heterogéneos, y el segundo es inhibir la formación de pequeños cristales de hielo a pesar del enfriamiento por debajo del punto de congelación de equilibrio.

El agua pura se congela espontáneamente (nucleación homogénea) justo por encima de -40 º C cuando el hielo no ha experimentado nucleación por medio de las impurezas del agua, conocidas genéricamente como agentes de nucleación heterogéneos. Con frecuencia, los agentes de nucleación heterogéneos biogénicos simplemente se denominan agentes de nucleación de hielo (INAs) . INAs biogénicos se han visto implicados de forma evidente para reducir o eliminar el super-enfriamiento en varios contextos, pero también existen minerales y agentes de nucleación orgánicos. Incluso el agua de calidad de laboratorio altamente pura conserva una tendencia de nucleación significativa. Si se pueden retirar o inhibir INAs, se puede someter el agua o las soluciones acuosas a superenfriamiento hasta temperaturas muchos grados por debajo del punto de congelación sin que tenga lugar realmente la congelación.

Las plantas, insectos y peces resistentes al frío han implicado proteínas anti-congelación que selectivamente se adsorben sobre la superficie de hielo o INAs, evitando de este modo que las moléculas de agua entren en contacto con superficies que activan el crecimiento de hielo (Devries, A.L. y Wohlschlag, D.E. "Freezing resistance in some Antartic fishes" Science 163, pp. 1074-1075, 1969) . De este modo, las proteínas anti-congelación actúan como agentes anti-congelación no coligativos, y concentraciones muy pequeñas (menores que 1 %) son capaces de evitar la temperatura a la cual se forma el hielo, en algunos casos en varios grados. Poco después del descubrimiento original de proteínas anti-congelación, se especuló que "muchas moléculas poliméricas (ya no proteínas) debían ser capaces de inhibir la nucleación (de hielo) de esta forma" (Klotz, I.M. en "The Frozen Cell" pp. 5-26, J. & A. Churchill, London, 1970) . Estas especulaciones abrieron la puerta a la posibilidad de encontrar compuestos sintéticos no costosos con actividad anti-congelación no coligativa.

En 1983, Caple et al. ("Polymeric Inhibition of Ice Nuclei Active Sites" Cr y o-Letter 4, pp. 51-58, 1983 y la patente de Estados Unidos 4.484.409) presentaron una mejora importante de la tendencia de super-enfriamiento de agua por medio de la adición de pequeñas cantidades de polímero de acrilato de metilo y co-vinil pirrolidona o un polímero de metacrilato de metilo y co-vinil pirrolidona. Mientras se muestra una prueba del concepto, estas observaciones se vieron limitadas en un número de aspectos importantes. En primer lugar, estos copolímeros no se sometieron a ensayo en cuanto a toxicidad y pueden resultar tóxicos. En segundo lugar, la liberación de estos polímeros en el medio ambiente, o su inclusión en alimentos, puede no resultar permisible. En tercer lugar, los polímeros requirieron una naturaleza hidrófoba en cuanto a eficacia, lo cual limita su utilidad en soluciones acuosas. En cuarto lugar, la naturaleza de estos polímeros y de los métodos para su síntesis puede convertirlos en muy costosos para usos prácticos. Finalmente, su rendimiento se ha caracterizado de forma completa, y puede verse limitado de varias formas. En cualquier caso, no ha aparecido uso comercial de los polímeros de Caple en 16 años desde su publicación, lo cual implica deficiencias de estos polímeros para aplicaciones prácticas anti-nucleación de hielo. Similarmente, los investigadores japoneses Watanabe et al. mostraron que podían reducir la nucleación por medio de yoduro de plata usando un método de ensayo de RMN haciendo reaccionar las proteínas con cadenas alifáticas

hidrófobas de longitudes variables (Solicitud de Patente de Estados Unidos, recientemente caducada) . Pero parece que este método requería que las proteínas modificadas resultantes formaran micelas con el fin de obtener las actividad anti-nucleación presentada, un factor que limita la accesibilidad de los agentes anti-nucleación a los cuerpos de nucleación en general, y que puede evitar el uso de la invención en aplicaciones de perfusión de órganos en las cuales puede ocurrir que las micelas no penetren a través de los capilares en el interior del espacio intersticial. En cualquier caso, no se conoce uso industrial alguno de su invención, y los derechos de Estados Unidos de la invención han caducado recientemente debido al impago de las tasas de mantenimiento por parte del cesionario, lo que implica la pérdida de utilidad. Se han descrito otras varias sustancias anti-nucleación, pero generalmente estas son sustancias químicamente reactivas que destruyen los agentes de nucleación de hielo y que cabría esperar también dañen a las biomoléculas vitales presentes en las células o el medio ambiente, o son cadenas orgánicas complicadas que pueden presentar una toxicidad inaceptable y reactividad química y que tienden a ser hidrófobas y con ello su uso resulta difícil o problemático.

En 1995, Fahy ("Novel Ice-Controlling Molecules and Their Applications" Solicitud de Patente Internacional PCT/US96/04284, Publicación # WO 96/30459, 1996, antecedida por la solicitud PCT/US98/20834, Publicación # WO 99/18169, publicada el 15 de abril de 1999) propuso la creación de agentes de impurificación de interfaz de hielo sintéticos ("agentes de bloqueo de hielo") específicamente diseñados para unirse al plano basal y a las caras de los prismas de los cristales de hielo (y agentes de nucleación de hielo) . Los moléculas estaban diseñadas por medio de espaciado de grupos polares a intervalos que corresponden al espaciado reticular de moléculas de agua sobre las caras de los cristales de hielo. Se propusieron numerosas moléculas específicas y polímeros, y se presentaron los datos que mostraban la reducción de las tasas de crecimiento de cristales de hielo en 6 % en peso/volumen, 1, 3-cis-ciclohexanodiol y el aumento del efecto de histéresis térmica de la glicoproteína anticongelación de pescado por medio de 1, 3, 5-cis, cis-ciclohexanotriol, pero se dijo que el efecto último era imposible de utilizar debido al efecto pro-nucleación de 1, 3, 5-cis, cis-ciclohexanodiol. De igual forma, no se mostraron datos que indicaran el aumento de histéresis térmica por parte de ningún otro agente, ni tampoco que confirmaran ningún efecto de unión de hielo de 1, 3-cis-ciclohexanodiol o cualquier otro agente propuesto.

Se presentaron las reivindicaciones para varios polímeros específicos... [Seguir leyendo]

1. Un método para evitar la nucleación y mejorar el super-enfriamiento del agua, que comprende añadir poliglicerol que comprende la unidad estructural:

H[-OCH2CHOHCH2-]nOH

en la que n es de 2 a 1000 y en donde se añade poliglicerol en una concentración de una parte por millón a una parte en diez.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el agua está sobre la superficie de una planta o en el interior de una planta.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el poliglicerol añadido mejora significativamente la 15 capacidad del agua para super-enfriarse sin formación de hielo.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el poliglicerol añadido reduce la nucleación de hielo en soluciones acuosas diluidas, en soluciones de crioprotector concentradas y en preparaciones anticongelantes comerciales.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el poliglicerol añadido se usa en combinación con poli (alcohol vinílico) (PVA) o en combinación con proteínas anticongelantes naturales.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el poliglicerol añadido se incluye en soluciones de 25 conservación de super-enfriamiento.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el poliglicerol se formula con un grupo hidrófobo para convertirlo en soluble en un fluido hidrófobo pero todavía capaz de experimentar separación en la fase acuosa para inhibir la formación de hielo.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el poliglicerol añadido inhibe la nucleación de hielo provocada por la proteína activa de nucleación de hielo bacteriana (INA) .

9. Un método para evitar la nucleación y mejorar el super-enfriamiento del agua, que comprende añadir variantes de 35 poliglicerol, como se define en la reivindicación 1, en el que se retiran uno o más de los grupos OH terminales.