SLOW DYNAMICS OF SUPERCOOLED TREHALOSE HYDRATION WATER IN COMPARISON WITH BULK WATER

Trehalose aqueous solutions are relevant in many technological applications, for example in cryopreservation of biomolecules. It is known that the presence of this disaccharide is able to slow down the dynamics of nearby water molecules and to modify their spatial rearrangement, nevertheless, a complete understanding of the properties of water-trehalose solutions and of trehalose cryoprotective properties is still lacking. Here we discuss recent molecular dynamics simulation results of water-trehalose solutions, performed at different temperatures upon cooling, and we compare the results with the behavior of the bulk phase. In particular we focus on the dynamical properties of hydration water, i.e., the water molecules in the hydration shell of the disaccharide. Hydration water shows a sub-diffusive behavior with respect to bulk water, the same structural relaxation typical of glass formers liquids, albeit slightly slower than in the bulk, and an additional relaxation process at longer timescales completely absent in the bulk. The analysis of hydrogen bond autocorrelation functions allows to connect the structural and long relaxation processes of hydration water to the dynamics of two distinct population of hydrogen bonds in the system, the water-water and water-trehalose hydrogen bonds.

Le soluzioni acquose di trealosio sono rilevanti in molte applicazioni tecnologiche, ad esempio nella crioconservazione di biomolecole. È noto che la presenza di questo disaccaride è in grado di rallentare la dinamica delle molecole d'acqua vicine e di modificare la loro riorganizzazione spaziale, tuttavia, una completa comprensione delle proprietà crioprotettive delle soluzioni acqua-trealosio manca ancora. In questo articolo discutiamo i recenti risultati di simulazioni di dinamica molecolare di soluzioni di acqua-trealosio, eseguite a diverse temperature durante il raffreddamento e confrontiamo i risultati con il comportamento della fase bulk. In particolare ci concentriamo sulle proprietà dinamiche dell'acqua di idratazione, cioè le molecole d'acqua nel guscio di idratazione del disaccaride. L' acqua di idratazione mostra un comportamento subdiffusivo rispetto all'acqua di bulk, lo stesso rilassamento strutturale tipico dei liquidi formatori di vetro, sebbene leggermente più lento rispetto all'acqua di bulk, e un ulteriore processo di rilassamento a tempi più lunghi completamente assente nella maggior parte dei casi. L'analisi delle funzioni di autocorrelazione del legame idrogeno consentono di collegare il rilassamento strutturale e lungo processi di idratazione dell'acqua alla dinamica di due distinte popolazioni di legami idrogeno nel sistema, i legami idrogeno acqua-acqua e acqua-trealosio.