Characteristics of Submicron Heterogeneities in Aqueous Solutions of Sugars. Possible Factor of Trehalose Cryoprotection

The present work is devoted to the study of submicron heterogeneities (SMH) spontaneously formed in aqueous solutions of low molecular weight organics. SMHs of about 100 nm in size were found in solutions of four sugars: glucose, sucrose, maltose and trehalose at concentrations of 0.5 - 1.5 mol%. In addition, using a combination of methods of dynamic light scattering, static multi- angle light scattering and Mie theory, the refractive indices of SMHs were determined; they turned out to be almost identical to those of the solutions containing them, differences are 0.001 - 0.01. These values are anomalously small for ordinary colloids, which explains the imperceptibility of SMHs. The concentration of SMHs increases with increasing concentration of sugars. Judging by the values of differential refractive indexes of SMH in different solutions, the composition and structure of SMH can be very different even for structurally similar molecules, such as disaccharides. At concentrations of sugars ~10 weight%, typical for cryoprotective solutions, the trehalose solution has a much lower value of the differential refractive index of SMHs and their highest concentration compared to solutions of other sugars. The role of SMHs in cryoprotection processes was suggested for the first time, which may explain the greatest cryoprotective efficiency of trehalose among other low molecular weight sugars. Настоящая работа посвящена изучению субмикронных неоднородностей (СМН), спонтанно формирующихся в водных растворах низкомолекулярной органики. В растворах четырёх сахаров: глюкозы, сахарозы, мальтозы и трегалозы с концентрациями 0.5 – 1.5 моль% зарегистрировано наличие СМН с размерами около 100 нм. Кроме того, используя комбинированное применение методов динамического светорассеяния, статического многоуглового светорассеяния и теории Ми, определены коэффициенты преломления СМН, которые оказались почти идентичными коэффициентам преломления содержащих их растворов, отличия 0.001 - 0.01. Эти значения аномально малы для обычных коллоидов, что и объясняет малозаметность СМН. Концентрация СМН возрастает с ростом концентрации сахаров. Судя по значениям дифференциальных коэффициентов преломления СМН в разных растворах, состав и структура СМН может сильно отличаться даже для структурно близких молекул, как пример, дисахаридов. При концентрациях сахаров ~10 вес%, типичных для криопротекторных растворов, у раствора трегалозы наблюдается гораздо меньшее значение дифференциального коэффициента преломления СМН и их наибольшая концентрация по сравнению с растворами остальных сахаров. Впервые высказано предположение о роли СМН в процессах криозащиты, что может объяснить наибольшую криопротекторную эффективность трегалозы среди других низкомолекулярных сахаров.