PorieOntwerper, een volledig geautomatiseerd computationeel workflowproces voor het wijzigen van de poriegrootte van een bacterieel kanaaleiwit, is het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van Penn State en de University of Illinois in Urbana-Champaign. Dit proces maakt assemblage van de eiwitten in kunstmatige membranen mogelijk voor nauwkeurige scheiding op sub-nanometerschaal van opgeloste stoffen met een marginaal verschil in grootte, die de waterzuivering en bioscheidingen kunnen verbeteren.

PoreDesigner biedt een ontwerpprocedure voor het afstemmen van de poriegrootte van het kanaaleiwit OmpF, gevonden in het buitenmembraan van bacteriecellen van E. coli. Biologische membranen zijn een ideaal model voor synthetische membranen, omdat hun poriën allemaal precies even groot zijn, dat zorgt voor een hoge productiviteit in combinatie met een hoge selectiviteit - alleen moleculen van de gewenste grootte en vorm komen erdoorheen. De biologische membranen hebben verschillende eiwitkanalen die water transporteren, ionen en kleine moleculen tussen cellen. Ze blokkeren ook onzuiverheden die niet door de poriën passen.

"Het is moeilijk om uniform verdeelde, gelijke poriegroottes in kunstmatige membranen zoals de polymeren die in de industrie worden gebruikt, maar als we konden, water zou er sneller doorheen gaan en, tegelijkertijd, blok moleculen groter dan de poriën, " zei Ratul Chowdhury, promovendus in de chemische technologie, mede geadviseerd door Manish Kumar, universitair hoofddocent chemische technologie en Costas Maranas, Donald B. Broughton Hoogleraar Chemische Technologie. "De natuurlijke poriën waarmee we begonnen waren groter dan één nanometer. We hebben ze ontworpen om subnanometer-formaat te hebben, die nuttiger zijn voor het scheiden van bepaalde commercieel belangrijke moleculen."

Het ontwerpen van poriegroottes met precisie in het bereik van of minder dan 1 nanometer is een probleem voor kunstmatige membranen. Bij deze maat of kleiner, kleine variaties lijken misschien onbeduidend. Echter, om bepaalde onzuiverheden zoals zout volledig af te wijzen, de poriën moeten in de orde van grootte van 0,3 tot 0,4 nanometer zijn.

"Het OmpF-eiwit werd gekozen omdat het een structureel stabieler molecuul is dan de meer algemeen bestudeerde aquaporine-moleculen, dus de hypothese was dat als we veranderingen aanbrengen aan het originele OmpF-molecuul om de poriegrootte kleiner te maken, het nog steeds zijn structurele stabiliteit zou behouden, " zei Chowdhury. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Natuurcommunicatie .

De poriegrootte van OmpF is 11 angstrom, en het onderzoeksteam verkleinde de poriegrootte door de poriën systematisch op te vullen met hydrofoob, of waterafstotend, aminozuren.

"Van experimenten, we ontdekten dat we zout efficiënt konden afwijzen met deze eiwitten wanneer ze in een membraanassemblage werden geplaatst, ' zei Chowdhury.

Ze ontdekten ook dat het mogelijk is om de poriën te verkleinen tot specifieke maten, variërend van 0,3 tot 1 nanometer, om verschillende onzuiverheden te verwerpen, het maken van aangepaste zeven op angstrom-schaal. Het team noemt dit algemene initiatief om zich te richten op de poriën van angstrom - een tiende van een nanometer - per ontwerp, het Dial-an-Angstrom-initiatief.

Het PoreDesigner-proces produceert ook waterkanalen die sneller doordringen dan biologische waterkanalen. Dit komt door de meer hydrofobe binnenste poriewanden van het opnieuw ontworpen OmpF-eiwit, waardoor het water geen interactie aangaat met de poriewand, sneller transport van water mogelijk maken.

Er zijn meerdere voordelen voor de PoreDesigner-workflow en de resulterende kanalen. Dit proces bespaart energie omdat deze waterkanalen selectiever en productiever zijn. De PoreDesigner maakt ook precieze poriegroottes mogelijk voor bioscheidingsprocessen die extreem moeilijk zijn, zoals het scheiden van glucose en fructose, en sucrose uit glycine. In aanvulling, vanwege zijn doeltreffendheid bij het uitfilteren van zout, PoreDesigner zou kustgemeenschappen mogelijk in staat kunnen stellen om over een betrouwbare waterbron te beschikken.

Naast waterzuivering, de onderzoekers proberen de poriën te manipuleren om protonen af ​​te wijzen terwijl ze gewoon water doorlaten. Indien succesvol, dit zou diffusie-gewogen Magnetic Resonance Imaging kunnen verbeteren waar gemanipuleerde transporteiwitten beginnen te worden gebruikt.

"Hoe hoger de stroomsnelheid van water door de kanalen, hoe beter de resolutie van het MRI-beeld, " zei Chowdhury. "We hebben aangetoond dat onze OmpF-ontwerpen al water doordringen met een orde van grootte sneller dan elk gerapporteerd kanaal, dus onze ontwerpen kunnen heel belangrijk zijn voor medische beeldvorming."

Chowdhury voegde eraan toe dat PoreDesigner veelbelovend is voor toepassing in ruimtevluchten en toekomstige ruimtehabitats voor het filteren van urine om zuiver water te krijgen, wat erg belangrijk zou zijn voor het gebruik en hergebruik van schaarse watervoorraden.

"Ratul won in 2018 de Best Paper Award voor dit werk van het Department of Chemical Engineering en werd onlangs geselecteerd voor de North American Membrane Society Student Fellowship, "zei Kumar. "Deze onderscheidingen zijn welverdiend, aangezien Ratul de drijvende kracht was voor dit werk en echt alle aspecten van het project in handen had."

Andere onderzoekers van Penn State aan dit project zijn Tingwei Ren, promovendus in de chemische technologie; Matthew Grisewood, onderzoeksassistent in chemische technologie; en Jeevan Prabhakar, bachelor onderzoeker in de chemische technologie. Kumar en Maranas leidden samen het onderzoek. Manish Shankla, promovendus bij UIUC; Karl Decker, onderzoeksassistent bij UIUC; en Aleksej Aksimentiev, hoogleraar natuurkunde aan de UIUC, ook deelgenomen aan het onderzoek.