Замораживание живых клеток: механизмы и значение

Клетки могут сохраняться при низких температурах, например при −196 °C, в течение столетий. Как им удаётся пережить как охлаждение до таких температур, так и последующее возвращение к физиологическим условиям, остаётся центральной проблемой криоконсервации.

Ключевым фактором является внутриклеточное замерзание. Оно возникает при слишком быстром охлаждении, поскольку при этом осмотическое удаление воды из клетки оказывается недостаточным для предотвращения переохлаждения. Были разработаны уравнения, описывающие кинетику этой потери воды и позволяющие предсказывать вероятность внутриклеточного замерзания в зависимости от скорости охлаждения. Эти предсказания хорошо согласуются с наблюдениями.

Хотя предотвращение внутриклеточного замерзания обычно необходимо для выживания, этого недостаточно. Само медленное замораживание тоже может повреждать клетки. По мере образования льда вне клетки оставшаяся незамёрзшая среда формирует каналы, которые уменьшаются в размерах, а концентрация растворённых веществ в них возрастает. Клетки располагаются в этих каналах и уменьшаются в объёме в осмотической реакции на повышение концентрации растворённых веществ. Ранее повреждение при медленном замораживании объясняли либо повышением концентрации растворённых веществ, либо усадкой клеток. Однако недавние эксперименты показывают, что повреждение в большей степени связано с уменьшением размеров незамёрзших каналов. Это новое представление о механизме повреждения при медленном замораживании должно облегчить разработку методов сохранения сложных клеточных систем, имеющих биологическое, медицинское и сельскохозяйственное значение.