Biologiska membran, såsom "väggarna" i de flesta typer av levande celler, består huvudsakligen av ett dubbelt lager av lipider, eller "lipiddubbelskikt, "som bildar strukturen, och en mängd olika inbäddade och fästa proteiner med högt specialiserade funktioner, inklusive proteiner som snabbt och selektivt transporterar joner och molekyler in och ut ur cellen.

Konstgjorda membran har använts för små och storskaliga industriella processer sedan mitten av 1900-talet, ändå kan deras ineffektivitet göra vissa processer relativt långsamma och dyra. Forskare har länge försökt utveckla syntetiska membran som kan matcha selektiviteten och höghastighetstransporten som erbjuds av deras naturliga motsvarigheter.

Nu har ett team under ledning av University of California Berkeley-forskare designat och - med hjälp av neutronspridning vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - också exakt karakteriserat en ny polymer som är lika effektiv som naturliga proteiner för att transportera protoner genom ett membran. Resultaten av deras forskning publicerades i Natur .

Denna stora milstolpe har potential att omvandla ett brett utbud av teknologier, som att göra batterier och vattenreningssystem effektivare och billigare, och att producera förbättrade biobränslen och läkemedel mer kostnadseffektivt.

"Vi infogade våra nya polymerer i lipiddubbelskikt, och de transporterade protoner lika bra som naturliga proteiner, sa Ting Xu, professor vid UC Berkeley och fakultetsforskare för Materials Sciences Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Polymererna är mycket svåra att avbilda och studera på grund av den begränsade kontrasten mellan deras densitet och den hos lipider. Så vi förbättrade kontrasten genom att selektivt deutera lipiderna i proverna - vilket innebär att vi ersatte några av deras väteatomer med deuteriumatomer - vilket neutroner är särskilt bra på att skilja från väteatomer. Det gjorde att vi kunde använda neutronspridning vid Oak Ridge för att bättre "se" storleken och formen på de enskilda polymererna, " lade Xu till.

Arbetar på ORNL:s High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskarna använde GP-SANS (småvinkel neutronspridning) strållinjen för att utföra sina experiment.

"GP-SANS-instrumentet gjorde det möjligt för teamet som leddes av forskare vid UC Berkeley att fastställa att polymererna var kompakta strukturer som var slumpmässigt spridda i membranet - i motsats till att klumpas ihop, sade William T. Heller, SANS/Spin Echo-teamet leder på ORNL. "Vi valde GP-SANS-instrumentet eftersom det är idealiskt för polymerens storlek och dess intensiva stråle är utmärkt för att studera prover som inte sprider sig starkt."

Xu och hennes medarbetare sa att de fyra monomererna, huvudkomponenterna i den nya polymeren, kan grupperas på olika sätt för att producera funktionella proteinhärmare. "Det som gör vår nya teknik så lovande är att den är skalbar, och kunskapen för att göra detta är lätt tillgänglig, ", sa Xu. "Med tanke på det stora antalet tillgängliga monomerer och de senaste framstegen inom polymerkemi, möjligheterna att förena de syntetiska och biologiska områdena är nästan obegränsade."