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Jul 07, 2023

NUS-Wissenschaftler entwickeln eine neue Klasse von Kunstgegenständen

Diese selbstorganisierenden, präzisen und komplexen Nanostrukturen können dazu beitragen, Wasser effizienter zu reinigen. Bild der National University of Singapore: Ein Team von Wissenschaftlern der National University of

Diese selbstorganisierenden, präzisen und komplexen Nanostrukturen können dazu beitragen, Wasser effizienter zu reinigen

Nationale Universität von Singapur

Bild: Ein Team von Wissenschaftlern der National University of Singapore, bestehend aus (von links nach rechts) Professor Prakash Kumar, Professor Manjunatha Kini, Dr. Li Jianwei und Dr. Pannaga Krishnamurthy, hat eine neue Klasse künstlicher Wasserkanäle für eine effizientere industrielle Wasserreinigung entwickelt.mehr sehen

Bildnachweis: National University of Singapore

Singapur, 02. August 2023 – Einem Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Abteilung für Biowissenschaften der National University of Singapore (NUS) in Zusammenarbeit mit dem französischen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) ist es gelungen, ein spezielles Protein-Nachahmungsmittel zu synthetisieren, das sich selbst zusammensetzen kann in eine Porenstruktur. Beim Einbau in eine Lipidmembran ermöglichen die Poren den selektiven Transport von Wasser durch die Membran und weisen gleichzeitig Salze (Ionen) zurück. Diese als „Oligorea-Foldamere“ bekannten Protein-Nachahmer stellen eine völlig neue Klasse künstlicher Wasserkanäle (AWC) dar, die zur Verbesserung der Energieeffizienz aktueller Methoden der industriellen Wasserreinigung eingesetzt werden können.

Aktuelle Methoden zur Wasserreinigung umfassen den Einsatz von Umkehrosmose- und Membrandestillationstechnologien. Umkehrosmose ist jedoch ein äußerst energieintensiver Prozess, da hohe Drücke erforderlich sind, um Meerwasser oder Abwasser durch eine Reihe semipermeabler Membranen zu leiten und so Salze und andere Schadstoffe zu entfernen. Angesichts des Klimawandels und des wachsenden Bedarfs an Süßwasser gibt es Impulse für die Entwicklung energieeffizienterer, wasserselektiver Membranen für großtechnische Entsalzungszwecke. Diese Erfindung stellt einen hervorragenden Beitrag zu diesen Bemühungen dar. Die relativ hohe Wasserdurchlässigkeit der von diesen Oligoharnstoff-Foldameren gebildeten Poren legt nahe, dass der Gesamtenergiebedarf für die Wasserreinigung möglicherweise reduziert werden kann.

Bewältigung der Einschränkungen herkömmlicher Membrantechnologien

Die Forschung auf diesem Gebiet konzentrierte sich größtenteils auf die Herstellung von Membranen mit Aquaporinen, bei denen es sich um natürlich vorkommende Proteine ​​handelt, die Poren enthalten, die den Durchgang von Wassermolekülen in einer einzigen Datei ermöglichen. Sie sind als „Wasserkanäle“ bekannt und kommen in den Zellmembranen aller lebenden Zellen vor, einschließlich Mikroben, Pflanzen- und Tierzellen. Aufgrund der komplexen Struktur von Aquaporin bleibt die Synthese ausreichender Mengen dieses sperrigen Proteins für die Verwendung in Wasserreinigungsmembranen ein teurer und zeitaufwändiger Prozess.

In einem am 8. Mai 2023 in der Fachzeitschrift Chem veröffentlichten Artikel beschrieb ein Team von NUS-Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Prakash Kumar einen Durchbruch bei der Entwicklung einer einfacheren molekularen Komponente, die sich selbst zusammensetzen kann, um transmembranöse kanalartige Strukturen mit einer Pore zu erzeugen . Diese Strukturen ahmen die Funktionen von Aquaporin nach und lassen nur Wassermoleküle durch die Membran, während Salze und andere Schadstoffe zurückgewiesen werden. Die einzelnen Oligoharnstoff-Foldamere sind mit nur 10 Aminosäureresten auch viel kleiner – was ihre Modifizierung, Synthese und Reinigung im Vergleich zu Aquaporin oder anderen AWC-Klassen erleichtert.

Wie es funktioniert

Die Foldamere sind von Natur aus amphiphil, was bedeutet, dass sie unterschiedliche Ladungen besitzen, die es ihnen ermöglichen, sich zu komplexeren Strukturen zusammenzulagern, ähnlich wie Magnete dazu neigen, sich zu einer Kugel zusammenzuballen, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Die resultierenden komplexen oder quartären Strukturen enthalten porenartige Wasserkanäle, die durch starke Bindungen, die als hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen bekannt sind, weiter stabilisiert werden.

Die hydrophoben Komponenten sind an der Außenseite geclustert, was den Einbau in Lipidmembranen ermöglicht. Das Innere (Lumen) der Pore ist hydrophiler, was es Wassermolekülen ermöglicht, sich durch die Membran zu bewegen, während Ionen am Durchtritt gehindert werden. Und dies ist für die in Labortests beobachtete selektive Wasserdurchlässigkeit durch Lipidmembranen verantwortlich. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Oligoharnstoff-Foldamere in ihrer Funktion natürlichen Porin-ähnlichen Strukturen ähneln, was sie zu potenziellen Kandidaten für die Herstellung von AWC-Membranen zur Wasserreinigung macht.

Höhere Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen Abbau

Auch die von den NUS-Forschern entwickelten Foldamere erwiesen sich im Vergleich zu anderen AWCs als robuster.

Normale Proteine ​​bestehen aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen miteinander verbunden sind. Diese Peptidbindungen können durch mikrobielle Enzyme, die Proteine ​​verdauen, zerschnitten werden, und solche Mikroben kommen in unverarbeitetem Wasser vor. In ihrer Forschung ersetzten NUS-Wissenschaftler die Peptidbindungen durch Harnstoffbindungen, wodurch die Oligoharnstoff-Foldamere weniger anfällig für enzymatischen und mikrobiellen Abbau sind.

Die ersten Protein-Imitate ihrer Art, die sich selbst zu Poren zusammenfügen

Die Entwicklung der Oligoharnstoff-Foldamere markiert den ersten veröffentlichten Versuch, AWCs mithilfe kurzer Molekülketten herzustellen, die sich selbst zu präzisen Nanostrukturen mit hoher Porosität und Selektivität für Wassermoleküle zusammenfügen können.

Prof. Kumar, der einen gemeinsamen Termin mit dem NUS Environment Research Institute hat, sagte: „Die Entdeckung dieser neuen Klasse künstlicher Wasserkanäle ist bedeutsam, weil die einzelnen Foldamer-Moleküle keine Poren enthalten, im Gegensatz zu anderen AWCs, bei denen sich die Poren im Inneren befinden.“ ihre größere Molekülstruktur. In unserem neuartigen Design entstehen die wasserselektiven Poren erst, wenn sich die einzelnen Einheiten selbst zusammensetzen. Die hohe Wasserdurchlässigkeit gepaart mit der Beständigkeit gegen proteolytischen Abbau macht diese Foldamere zu hervorragenden Kandidaten für industrielle Wasserreinigungsanwendungen.“

Nächste Schritte

In der Anfangsphase trug das Wissenschaftlerteam die Foldamere auf eine Testmembran auf, um die Wasserreinigungsfähigkeiten der selbstorganisierenden Moleküle zu demonstrieren. Für die nächste Forschungsphase plant das Team, die Produktion der Foldamere zu optimieren und sie auf eine größere Membran anzuwenden, bevor ihre Effizienz in einer industriellen Wasseraufbereitungsanlage getestet wird.

Chem

10.1016/j.chempr.2023.04.007

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Von der Natur inspirierte synthetische Oligoharnstoff-Foldamer-Kanäle ermöglichen den Wassertransport mit hoher Salzabweisung

8. Mai 2023

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