Den dolda världen av amorf is

Hur beter sig vatten när det fryser utan att bilda vanliga iskristaller? Det är en fråga som postdoktorn Aigerim Karina försöker besvara genom att utforska den fascinerande världen av amorf is – en ovanlig form av is som kan spela en viktig roll för framtidens frysförvaring av biologiskt material.

– Jag flyttade från Kazakstan till Sverige för att göra min doktorandutbildning och arbetar nu som postdoktor. Jag disputerade vid Fysikum samtidigt som jag tog hand om min lilla dotter, säger Aigerim Karina.

Aigerims forskning fokuserar på amorf is och hur proteiner rör sig i kryogena lösningar. Till skillnad från vanlig is, som bildar ordnade kristaller, har amorf is en oordnad struktur som mer liknar flytande vatten. Det gör den särskilt intressant för kryopreservering, biologisk nedfrysning, eftersom iskristaller kan skada känsliga biologiska strukturer under infrysning.

– Från början var jag egentligen mer intresserad av kemi än fysik. Jag läste både kandidat- och masterutbildning i kemi vid Eurasian National University i Astana.

Under sin masterutbildning gjorde hon ett forskningsprojekt inom fysikalisk kemi vid universitetet i Köln – en erfarenhet som väckte intresset för gränslandet mellan kemi och fysik.

– Jag tyckte alltid att kemi och matematik var logiska ämnen, medan fysik kändes mer abstrakt. Samtidigt undervisade jag skolungdomar i matematik, vilket stärkte mitt intresse för analytiskt tänkande.

År 2019 började hon sin doktorandutbildning i kemisk fysik vid Fysikum. Under handledning av professorerna Katrin Amann-Winkel och Anders Nilsson började hon utforska vattnets ovanliga och ibland paradoxala egenskaper genom studier av amorf is.

I dag arbetar hon i forskargruppen Structural Dynamics of Aqueous Solutions (SDAQS), ledd av professor Foivos Perakis, där fokus ligger på vattnets roll i biologiska processer.

– Efter min föräldraledighet och disputation fortsatte jag som postdoktor. Med min bakgrund inom amorf is blev steget till forskning om kryopreservering av proteiner naturligt.

Hennes forskning handlar om hur vatten och proteiner beter sig vid extremt låga temperaturer – kunskap som kan bidra till bättre metoder för långtidsförvaring av biologiskt material.

Vatten blir ännu mer komplicerat när andra molekyler blandas in.

– Glycerol, som är ett vanligt kryoskyddsmedel, påverkar vattnets egenskaper på olika sätt beroende på koncentrationen. Även proteiner förändrar hur vatten beter sig, vilket gör dessa system väldigt komplexa.

För att studera detta använder forskarna avancerade röntgenmetoder, infraröd spektroskopi och kryogena experiment för att undersöka hur strukturer förändras, rör sig och genomgår fasövergångar vid mycket låga temperaturer.

– Jag fascineras särskilt av fasövergångar, metastabila tillstånd och oordnade material. Jag arbetar i gränslandet mellan kemisk fysik, biofysik och mjuk materia, och jag vill förstå vilken roll vatten spelar i kryogena lösningar.

Nyligen genomförde Aigerim experiment vid två av Europas ledande synkrotronanläggningar – DESY i Hamburg och ESRF i Grenoble – där hon studerade hur nanopartiklar, proteiner och antikroppslösningar beter sig i amorf is och under upptining.

– Just nu analyserar jag de stora datamängder som experimenten genererade. Vattnets roll i lagring av biologiskt material är betydligt mer komplex än man kan tro. Att förstå den komplexiteten är avgörande om vi vill utveckla bättre metoder för kryopreservering.

På sikt kan forskningen bidra till säkrare lagring av biologiska produkter och minska förluster vid transport och långtidsförvaring.

Aigerim Karina

The Eurasian National University

DESY

ESRF

Dynamics and diffusion of amorphous ice under pressure

Infrared spectroscopy on amorphous ice

The second critical point of water