Noticias

Jul 07, 2023

Los científicos de NUS desarrollan una nueva clase de artificio

Estas nanoestructuras autoensamblables, precisas y complejas pueden ayudar a purificar el agua de manera más eficiente. Imagen de la Universidad Nacional de Singapur: un equipo de científicos de la Universidad Nacional de

Estas nanoestructuras autoensamblables, precisas y complejas pueden ayudar a purificar el agua de manera más eficiente

Universidad Nacional de Singapur

Imagen: Un equipo de científicos de la Universidad Nacional de Singapur compuesto (de izquierda a derecha) por el profesor Prakash Kumar, el profesor Manjunatha Kini, el Dr. Li Jianwei y el Dr. Pannaga Krishnamurthy, ha desarrollado una nueva clase de canales de agua artificiales para una purificación de agua industrial más eficiente.ver más

Crédito: Universidad Nacional de Singapur

Singapur, 2 de agosto de 2023: un equipo dirigido por científicos del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), en colaboración con el Centro Francés de Investigación Científica (CNRS), ha sintetizado con éxito una proteína imitadora especial que puede autoensamblarse. en una estructura porosa. Cuando se incorporan a una membrana lipídica, los poros permiten el transporte selectivo de agua a través de la membrana mientras rechazan la sal (iones). Estos imitadores de proteínas, conocidos como 'foldamers de oligourea', representan una clase completamente nueva de canales de agua artificiales (AWC) que pueden usarse para mejorar la eficiencia energética de los métodos actuales de purificación de agua industrial.

Los métodos actuales de purificación de agua implican el uso de tecnologías de ósmosis inversa y destilación por membrana. Sin embargo, la ósmosis inversa es un proceso que consume mucha energía, ya que se necesitan altas presiones para hacer pasar el agua de mar o las aguas residuales a través de una serie de membranas semipermeables para eliminar sales y otros contaminantes. A la luz del cambio climático y la creciente demanda de agua dulce, existe un impulso para desarrollar membranas más selectivas en cuanto al agua y con mayor eficiencia energética para fines de desalinización a gran escala. Esta invención representa una excelente contribución a estos esfuerzos. La permeabilidad al agua relativamente alta de los poros formados por estos plegadores de oligourea sugiere que potencialmente se puede reducir el requerimiento total de energía para la purificación del agua.

Abordar las limitaciones de las tecnologías de membranas convencionales

La investigación en este campo se ha centrado en gran medida en la fabricación de membranas con acuaporinas, que son proteínas naturales que contienen poros que permiten el paso de las moléculas de agua en una sola fila. Se conocen como "canales de agua" y se pueden encontrar en las membranas celulares de todas las células vivas, incluidos los microbios y las células vegetales y animales. Debido a la compleja estructura de la acuaporina, sintetizar cantidades suficientes de esta voluminosa proteína para su uso en membranas de purificación de agua sigue siendo un proceso costoso y que requiere mucho tiempo.

En un artículo publicado en la revista científica Chem el 8 de mayo de 2023, un equipo de científicos de NUS dirigido por el profesor Prakash Kumar describió un gran avance en el desarrollo de un componente molecular más simple que puede autoensamblarse para generar estructuras similares a canales transmembrana con un poro. . Estas estructuras imitan las funciones de la acuaporina, permitiendo que sólo las moléculas de agua crucen la membrana mientras se rechazan las sales y otros contaminantes. Los plegadores de oligourea individuales también son mucho más pequeños, con solo 10 residuos de aminoácidos de largo, lo que los hace más fáciles de modificar, sintetizar y purificar en comparación con la acuaporina u otras clases de AWC.

Cómo funciona

Los foldámers son de naturaleza anfifílica, lo que significa que poseen diferentes cargas que les permiten ensamblarse en estructuras más complejas, similar a cómo los imanes tienden a agruparse en una bola cuando están muy cerca unos de otros. Las estructuras complejas o cuaternarias resultantes contienen canales de agua en forma de poros que se estabilizan aún más mediante fuertes enlaces conocidos como interacciones hidrofóbicas y electrostáticas.

Los componentes hidrofóbicos están agrupados en el exterior, lo que permite su inserción en las membranas lipídicas. El interior (lumen) del poro es más hidrófilo, lo que permite que las moléculas de agua se muevan a través de la membrana mientras rechaza el paso de los iones. Y esto es responsable de la permeabilidad selectiva al agua a través de las membranas lipídicas observada en las pruebas de laboratorio. Los científicos descubrieron que los plegadores de oligourea tenían una función similar a las estructuras naturales similares a las porinas, lo que los convierte en candidatos potenciales viables para la fabricación de membranas AWC para la purificación de agua.

Mayor estabilidad y resistencia a la degradación.

También se demostró que los plegables desarrollados por los investigadores de NUS son más robustos en comparación con otros AWC.

Las proteínas normales están formadas por aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Estos enlaces peptídicos son vulnerables a ser cortados por enzimas microbianas que digieren las proteínas, y esos microbios existen en el agua sin procesar. En su investigación, los científicos de NUS reemplazaron los enlaces peptídicos con enlaces de urea, lo que hace que los plegadores de oligourea sean menos susceptibles a la degradación enzimática y microbiana.

Los primeros imitadores de proteínas de su tipo que se autoensamblan en los poros

El desarrollo de los plegadores de oligourea marca el primer intento publicado de crear AWC utilizando cadenas moleculares cortas que pueden autoensamblarse en nanoestructuras precisas con alta porosidad y selectividad para las moléculas de agua.

El profesor Kumar, que tiene una cita conjunta con el Instituto de Investigación Ambiental de NUS, dijo: "El descubrimiento de esta nueva clase de canales de agua artificiales es importante porque las moléculas individuales de foldámero no contienen ningún poro, a diferencia de otros AWC donde los poros se encuentran dentro su estructura molecular más grande. En nuestro novedoso diseño, los poros selectivos del agua sólo emergen cuando las unidades individuales se autoensamblan. La alta permeabilidad al agua junto con la resistencia a la degradación proteolítica hace que estos plegableres sean excelentes candidatos para aplicaciones de purificación de agua industrial”.

Próximos pasos

En la fase inicial, el equipo de científicos aplicó los foldámers a una membrana de prueba para demostrar las capacidades de purificación de agua de las moléculas que se autoensamblan. Para la siguiente fase de investigación, el equipo planea optimizar la producción de los plegadores y aplicarlos a una membrana más grande, antes de probar su eficiencia en una instalación de purificación de agua industrial.

química

10.1016/j.chempr.2023.04.007

Estudio experimental

No aplica

Los canales plegables de oligourea sintética inspirados en la naturaleza permiten el transporte de agua con un alto rechazo de sal

8-mayo-2023

Descargo de responsabilidad: AAAS y EurekAlert! ¡No somos responsables de la exactitud de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.