ポリマーに詰められたタンパク質細孔は、非常に効率的なろ過膜を作ります

June 16, 2023

学際的なエンジニアと科学者チームは、水精製から小分子分離、汚染物質除去プロセスまで、さまざまな用途向けの新しいクラスのろ過膜を開発しました。これにより、エネルギー消費、運用コスト、産業分離の生産時間を短縮できます。

テキサス大学オースティン校のコックレル工学部の准教授であるマニッシュ・クマールが率いる研究チームは、最近の自然資料の問題で新しい高性能膜について説明しています。
water filter

チームの新しいろ過膜は、現在使用されている数日間のプロセスに対して、市販の膜の毛穴よりも高い密度を示し、2時間ではるかに速く生成できます。これまで、タンパク質ベースの膜を産業分離に使用する現在の技術に統合することは、これらの膜を作成するのに必要な時間と、結果として生じる膜にタンパク質の密度が低いため、困難でした。

この包括的かつ協力的な研究努力により、エンジニア、物理学者、生物学者、化学者がペンシルベニア州立大学、ケンタッキー大学、ノートルダム大学、および生物模倣を適用しました。この作品は、半分のナノメートルと1.5ナノメートルの間の毛穴を持つ真のタンパク質ベースの分離膜の最初のエンドツーエンド合成を示しています。ナノメートルは、水分子の数倍のサイズの数倍で、人間の髪の幅の10万倍です。

チームによって作成された膜は生体模倣です。つまり、自然のシステムや要素を模倣し、水と栄養素を輸送するために細胞膜で自然に発生するものを模倣します。彼らは最近、彼らの方法のインスピレーションを強調する別の論文を公開しました。これらのタンパク質チャネルのポリマーシートへの高密度パッキングは、ヒトアイレンズで見られるものと同様に、非生物学的ポリマー環境内で見られるものと同様に、膜内にタンパク質孔を形成します。

チームによって3つの異なる生体模倣膜が製造され、3つの異なる細孔サイズの膜タンパク質チャネルを備えたシャープでユニークで調整可能な選択性を実証しました。記載されている方法は、異なる細孔サイズのタンパク質チャネルまたは化学物質のポリマーマトリックスに挿入して、特異的に設計された分離を導入することで適合させることができます。

「過去には、生体模倣膜を作ろうとする試みは、これらの材料の約束にはるかに不足しており、生産性の2〜3倍の改善を示しています」と、Austin Chemical Engineeringの博士課程の学生であり、プロジェクトのリードであるYu-Ming Tuは述べています。「私たちの仕事は、市販の膜にわたる生産性の20〜1,000倍の驚くべき改善を示しています。同時に、抗生物質、タンパク質、ウイルスなどの大きな分子から、糖やアミノ酸などの小分子の同様またはより良い分離を達成することができます。。」

この高い生産性は、細孔タンパク質の非常に高い密度によって可能になりました。米国四半期のサイズの場合、約45兆個のタンパク質が膜に適合できます。作成された膜は、面積が10〜20倍大きかった。この細孔密度は、同様のナノサイズの毛穴を持つ従来のろ過膜の10〜100倍高い。さらに、これらの膜のすべての毛穴はまったく同じサイズと形状であり、望ましいサイズの分子をよりよく保持できるようにします。

「膜タンパク質を含む生体模倣膜の約束が分子スケールから膜スケールで高性能に翻訳されたのはこれが初めてです」とクマールは言いました。「長い間、エンジニアと科学者は、自然がすでにそれを行ってより良くしていることを知るためだけに問題の解決策を見つけようとしてきました。次のステップは、さらに大きな膜を製造できるかどうかを確認し、それらができるかどうかをテストすることです。業界で一般的なもののようなフラットシートとスパイラル巻き型モジュールにパッケージ化されています。」

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Ms. Eric

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