biologische membranen, zoals de "muren" van de meeste soorten levende cellen, bestaan ​​voornamelijk uit een dubbele laag lipiden, of "lipide dubbellaag, " die de structuur vormt, en een verscheidenheid aan ingebedde en aangehechte eiwitten met zeer gespecialiseerde functies, inclusief eiwitten die snel en selectief ionen en moleculen in en uit de cel transporteren.

Sinds het midden van de twintigste eeuw worden kunstmatige membranen gebruikt voor kleine en grootschalige industriële processen, toch kan hun inefficiëntie sommige processen relatief traag en duur maken. Wetenschappers hebben lang geprobeerd synthetische membranen te ontwikkelen die de selectiviteit en het hogesnelheidstransport van hun natuurlijke tegenhangers zouden kunnen evenaren.

Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van de University of California Berkeley een nieuw polymeer ontworpen en - met behulp van neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - ook nauwkeurig gekarakteriseerd dat net zo effectief is als natuurlijke eiwitten bij het transporteren van protonen door een membraan. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in Natuur .

Deze belangrijke mijlpaal heeft het potentieel om een ​​breed scala aan technologieën te transformeren, zoals het efficiënter en goedkoper maken van batterijen en waterzuiveringssystemen, en het kosteneffectiever produceren van verbeterde biobrandstoffen en geneesmiddelen.

"We hebben onze nieuwe polymeren in lipidedubbellagen geplaatst, en ze vervoerden protonen net zo goed als natuurlijke eiwitten, " zei Ting Xu, een professor aan UC Berkeley en faculteitswetenschapper voor de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"De polymeren zijn erg moeilijk in beeld te brengen en te bestuderen vanwege het beperkte contrast tussen hun dichtheid en die van lipiden. Dus hebben we het contrast verbeterd door de lipiden in de monsters selectief te deutereren - wat betekent dat we sommige van hun waterstofatomen hebben vervangen door deuteriumatomen - wat neutronen zijn vooral goed in het onderscheiden van waterstofatomen, waardoor we neutronenverstrooiing bij Oak Ridge konden gebruiken om de grootte en vorm van de afzonderlijke polymeren beter te 'zien', " voegde Xu eraan toe.

Werken bij ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), de onderzoekers gebruikten de general-purpose small-angle neutron scattering (GP-SANS) bundellijn om hun experimenten uit te voeren.

"Het GP-SANS-instrument stelde het team onder leiding van onderzoekers van UC Berkeley in staat om te bepalen dat de polymeren compacte structuren waren die willekeurig in het membraan waren verspreid - in tegenstelling tot samengeklonterd, " zei William T. Heller, de SANS/Spin Echo teamleider bij ORNL. "We hebben voor het GP-SANS-instrument gekozen omdat het ideaal is voor de grootte van het polymeer en de intense straal uitstekend is voor het bestuderen van monsters die niet sterk verstrooien."

Xu en haar medewerkers zeiden dat de vier monomeren, de belangrijkste componenten van het nieuwe polymeer, kunnen op verschillende manieren worden gegroepeerd om functionele eiwit-nabootsers te produceren. "Wat onze nieuwe techniek zo veelbelovend maakt, is dat hij schaalbaar is, en de kennis om dit te doen is direct beschikbaar, " zei Xu. "Gezien het enorme aantal beschikbare monomeren en de recente ontwikkelingen in de polymeerchemie, de mogelijkheden om de synthetische en biologische velden te combineren zijn bijna onbeperkt."