PoreDesigner, en helautomatisk beräkningsprocess för arbetsflöde för att ändra porstorleken hos ett bakteriekanalprotein, är resultatet av ett samarbete mellan forskare från Penn State och University of Illinois i Urbana-Champaign. Denna process möjliggör montering av proteinerna i artificiella membran för exakt sub-nanometer skala separation av lösta ämnen med marginalstorleksskillnad, vilket kan förbättra vattenrening och bioseparationer.

PoreDesigner tillhandahåller ett konstruktionsförfarande för att justera porstorleken på kanalproteinet OmpF, finns i det yttre membranet hos E. coli bakterieceller. Biologiska membran är en idealisk modell för syntetiska membran, eftersom deras porer är exakt samma storlek, vilket ger hög produktivitet i kombination med hög selektivitet - bara molekyler av önskad storlek och form kommer igenom. De biologiska membranen har olika proteinkanaler som transporterar vatten, joner och små molekyler mellan celler. De blockerar också föroreningar som inte kan passera genom porerna.

"Det är svårt att skapa enhetligt fördelade, lika porstorlekar i konstgjorda membran som de polymerer som används i industrin, men om vi kunde vatten skulle gå igenom snabbare och på samma gång, blockmolekyler större än porerna, "sa Ratul Chowdhury, doktorand i kemiteknik, råd av Manish Kumar, docent i kemiteknik och Costas Maranas, Donald B. Broughton professor i kemiteknik. "De naturliga porerna vi började med var större än en nanometer. Vi konstruerade dem för att vara subnanometerstora, som är mer användbara för att separera vissa kommersiellt viktiga molekyler. "

Att designa porstorlekar med precision i intervallet eller mindre än 1 nanometer är ett problem för konstgjorda membran. I denna storlek eller mindre, små variationer kan verka obetydliga. Dock, att helt avvisa vissa föroreningar som salt, porerna måste vara i storleksordningen 0,3 till 0,4 nanometer.

"OmpF -proteinet valdes eftersom det är en mer strukturellt stabil molekyl än de mer studerade akvaporinmolekylerna, så hypotesen var att om vi gör ändringar i den ursprungliga OmpF -molekylen för att göra dess porstorlek mindre skulle den fortfarande behålla sin strukturella stabilitet, "Sa Chowdhury. Forskarna publicerade sina resultat i Naturkommunikation .

Porstorleken på OmpF är 11 ångström, och forskargruppen minskade porstorleken genom att systematiskt fylla i porerna med hydrofoba, eller vattenavvisande, aminosyror.

"Från experiment, vi fann att vi effektivt kunde avvisa salt med dessa proteiner när de sattes i ett membranaggregat, "Sa Chowdhury.

De fann också att det är möjligt att reducera porerna till specifika storlekar, från 0,3 till 1 nanometer, att avvisa olika orenheter, skapa skräddarsydda ångskalskal. Teamet kallar detta övergripande initiativ för att rikta in sig på ångström - en tiondel av en nanometer - porer i form av design, initiativet Dial-an-Angstrom.

PoreDesigner -processen producerar också vattenkanaler som tränger igenom snabbare än biologiska vattenkanaler. Detta beror på de mer hydrofoba inre porväggarna i det omdesignade OmpF -proteinet som hindrar vattnet från att interagera med porväggen, möjliggör snabbare transport av vatten.

Det finns flera fördelar med PoreDesigner -arbetsflödet och de resulterande kanalerna. Denna process sparar energi eftersom dessa vattenkanaler är mer selektiva och produktiva. PoreDesigner möjliggör också exakta porstorlekar för bioseparationsprocesser som är extremt svåra, såsom separering av glukos och fruktos, och sackaros från glycin. Dessutom, på grund av dess effektivitet vid filtrering av salt, PoreDesigner kan möjligen möjliggöra för kustsamhällen att ha en pålitlig vattenkälla.

Utöver vattenrening, forskarna försöker konstruera porerna för att avvisa protoner samtidigt som de bara låter vatten passera igenom. Om det lyckas, detta kan förbättra diffusionsvägt magnetisk resonansbildning där konstruerade transportproteiner börjar användas.

"Ju högre flödeshastighet för vatten genom kanalerna, desto bättre upplösning av MR -bilden, "Sa Chowdhury." Vi har visat att våra OmpF -konstruktioner redan genomsyrar vatten i en storleksordning snabbare än någon kanal rapporterat, så våra mönster kan vara mycket viktiga för medicinsk bildbehandling. "

Chowdhury tillade att PoreDesigner bär löfte för tillämpning i rymdflygningar och framtida rymdmiljöer för filtrering av urin för att få rent vatten, vilket skulle vara mycket viktigt för användning och återvinning av knappa vattenförsörjningar.

"Ratul vann utmärkelsen Bästa papper 2018 för detta arbete från Institutionen för kemiteknik och valdes nyligen ut för North American Membrane Society Student Fellowship, "sade Kumar." Dessa utmärkelser är välförtjänta eftersom Ratul var drivkraften för detta arbete och verkligen ägde alla aspekter av projektet. "

Andra forskare från Penn State på detta projekt är Tingwei Ren, doktorand i kemiteknik; Matthew Grisewood, forskningsassistent i kemiteknik; och Jeevan Prabhakar, forskare i kemiteknik. Kumar och Maranas ledde forskningen. Manish Shankla, doktorand vid UIUC; Karl Decker, forskningsassistent vid UIUC; och Aleksei Aksimentiev, professor i fysik vid UIUC, deltog också i forskningen.