由新加坡國立大學(xué) (NUS) 生物科學(xué)系科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊與法國科學(xué)研究中心 (CNRS) 合作，成功合成了一種可以自組裝的特殊蛋白質(zhì)模擬物成孔隙結(jié)構(gòu)。
當(dāng)結(jié)合到脂質(zhì)膜中時，這些孔允許水選擇性地穿過膜，同時排斥鹽（離子）。
這些蛋白質(zhì)模擬物被稱為“oligoureafoldamers”，代表了一類全新的人工水通道（AWC），可用于提高現(xiàn)有工業(yè)水凈化方法的能源效率。
當(dāng)前的水凈化方法涉及使用反滲透和膜蒸餾技術(shù)。然而，反滲透是一個高度能源密集型的過程，因為需要高壓使海水或廢水通過一系列半透膜以去除鹽和其他污染物。鑒于氣候變化和對淡水需求的不斷增長，人們迫切需要開發(fā)更節(jié)能的水選擇性膜以用于大規(guī)模海水淡化目的。本發(fā)明代表了對這些努力的卓越貢獻(xiàn)。這些低聚尿素折疊體形成的孔隙相對較高的透水性表明，水凈化的總體能量需求可能會降低。
解決傳統(tǒng)膜技術(shù)的局限性
該領(lǐng)域的研究主要集中在用水通道蛋白制造膜，水通道蛋白是天然存在的蛋白質(zhì)，含有允許水分子以單列形式通過的孔。它們被稱為“水通道”，存在于所有活細(xì)胞（包括微生物、植物和動物細(xì)胞）的細(xì)胞膜中。
由于水通道蛋白的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，合成足夠量的這種大體積蛋白質(zhì)用于水凈化膜仍然是一個昂貴且耗時的過程。
在 2023 年 5 月 8 日科學(xué)雜志Chem上發(fā)表的一篇論文中，由新加坡國立大學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊描述了在開發(fā)更簡單的分子組件方面取得的突破，該分子組件可以自組裝以生成具有孔的跨膜通道狀結(jié)構(gòu)。
這些結(jié)構(gòu)模仿水通道蛋白的功能，只允許水分子穿過膜，而鹽和其他污染物則被拒絕。
單個低聚尿素折疊體的尺寸也小得多，只有 10 個氨基酸殘基長，這使得它們與水通道蛋白或其他類別的 AWC 相比更容易修飾、合成和純化。
折疊體本質(zhì)上是兩親性的，這意味著它們具有不同的電荷，使它們能夠組裝成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，類似于磁鐵在彼此靠近時傾向于聚集成球的方式。
由此產(chǎn)生的復(fù)合物或四元結(jié)構(gòu)包含孔狀水通道，這些水通道通過稱為疏水和靜電相互作用的強鍵進(jìn)一步穩(wěn)定。
疏水性成分聚集在外部，可以插入脂質(zhì)膜中。孔的內(nèi)部（內(nèi)腔）更加親水，這使得水分子可以穿過膜，同時阻止離子通過。
這就是實驗室測試中觀察到的跨脂質(zhì)膜的選擇性水滲透性的原因。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，低聚尿素折疊體在功能上與天然孔蛋白樣結(jié)構(gòu)相似，這使得它們成為制造用于水凈化的 AWC 膜的可行潛在候選者。
新加坡國立大學(xué)研究人員開發(fā)的折疊器也被證明比其他 AWC 更堅固。
正常蛋白質(zhì)由通過肽鍵連接在一起的氨基酸組成。這些肽鍵很容易被消化蛋白質(zhì)的微生物酶切割，而此類微生物存在于未經(jīng)處理的水中。
在他們的研究中，新加坡國立大學(xué)科學(xué)家用尿素鍵取代了肽鍵，這使得低聚尿素折疊體不易受到酶促和微生物降解的影響。
低聚脲折疊體的開發(fā)標(biāo)志著首次公開嘗試使用短分子鏈創(chuàng)建 AWC，該短分子鏈可以自組裝成具有高孔隙率和水分子選擇性的精確納米結(jié)構(gòu)。
這種新型人造水通道的發(fā)現(xiàn)意義重大，因為單個可折疊分子不包含任何孔隙，而不像其他在其較大分子結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)孔隙的AWC。
在新設(shè)計中，只有當(dāng)單個單元自行組裝時，才會出現(xiàn)水選擇性孔隙。高透水性和抗蛋白水解性使這些折疊器成為工業(yè)水凈化應(yīng)用的絕佳選擇。
在初始階段，科學(xué)家團(tuán)隊將折疊器應(yīng)用到測試膜上，以展示自組裝分子的水凈化能力。
在下一階段的研究中，該團(tuán)隊計劃優(yōu)化折疊器的生產(chǎn)并將其應(yīng)用于更大的膜，然后在工業(yè)水凈化設(shè)施中測試其效率。
