Биология клеточных мембран вдохновляет на разработку новых фильтров для морской воды

Исследователи из Института Фрэнсиса Крика, Королевского колледжа Лондона и Фрибурского университета разработали полимерные водные каналы, похожие на широко используемые пластиковые материалы, которые могут извлекать соль из воды по принципу собственной системы фильтрации воды в организме.

Если бы их изобретение можно было масштабировать и производить в промышленных масштабах, это помогло бы фильтровать морскую воду для получения питьевой воды.

Аквапорины — это белки, которые быстро переносят воду через клеточные мембраны, не пропуская соль. Они играют важную роль в поддержании правильного баланса воды внутри и снаружи клеток, а также в концентрировании или разбавлении мочи в почках.

В исследовании опубликованном недавно в Angewandte Chemie International Edition, международная группа исследователей, вдохновлённая аквапоринами, разработала искусственные водные каналы, которые можно использовать для фильтрации воды от солей.

Их можно использовать для процесса опреснения, при котором из морской воды удаляются соли и минералы, чтобы получить воду, пригодную для питья.

Этот процесс, который обычно включает в себя нагрев воды, конденсацию пара и отделение соли, регулярно используется в таких регионах, как Ближний Восток, где выпадает мало осадков. Но он энергозатратен и очень дорог, поэтому необходимы более дешёвые альтернативы.

Чтобы решить эту проблему, команда разработала искусственные каналы, используя длинные молекулы пластика, организованные в спиральную структуру, называемую полимером, или в циклические структуры, называемые макроциклами.

Поры внутри каналов двух типов были заполнены химической смесью фтора и молекул, называемых углеводородами, которые вместе образуют жирный слой.

Затем каналы были протестированы внутри везикул — водяных мешочков, покрытых жирным слоем, похожих на клетки, — которые затем поместили в сахарный раствор.

Вода естественным образом выходит из пузырьков путём осмоса, даже без водных каналов, но этот процесс происходит медленно. Но когда к пузырькам были добавлены искусственные каналы, скорость и объём движения воды увеличились.

Команда исследователей также протестировала полимеры разной длины и обнаружила, что наиболее эффективный водный канал был такой же длины, как жировой слой везикулы, и почти не уступал по эффективности биологическим аквапоринам.

Наконец, команда исследователей подтвердила, что соли не могут проникать в каналы, протестировав наиболее эффективный полимер в солевом растворе. Они увидели, что соли не проникают в везикулу.

Чарли МакТернан, руководитель группы в лаборатории искусственного молекулярного механизма в Институте Крика и старший преподаватель кафедры химии в Королевском колледже Лондона, сказал: «Многие системы в природе, например, способность организма фильтровать воду с помощью аквапоринов, эволюционировали, чтобы быть очень эффективными в своей работе, поэтому их трудно воспроизвести искусственно. Но с помощью некоторых хитроумных химических реакций мы достигли эффективности, близкой к эффективности естественных аквапоринов, с нашими искусственными водными каналами, которые могут эффективно транспортировать воду и удалять соли. Мы наблюдаем потепление климата и, возможно, нехватку доступной питьевой воды, поэтому более дешёвые и масштабируемые решения для фильтрации морской воды имеют решающее значение. Наша работа может быть масштабирована для промышленного использования, но при массовом производстве возникнут трудности, которые нужно будет преодолеть, в том числе провести испытания с более устойчивыми мембранами, чем те, что использовались в этом исследовании. Нам также нужно будет посмотреть, как каналы взаимодействуют с другими веществами в морской воде».

Джавид Ахмад Малла, научный сотрудник лаборатории искусственного молекулярного механизма в Институте Фрика, сказал: «Этот совместный проект появился благодаря случайной встрече на конференции — наша команда в Институте Фрика и лаборатория во Фрибургском университете поняли, что можем объединить наши знания для решения этой реальной проблемы. Сейчас мы пытаемся повысить эффективность наших каналов, чтобы превзойти даже естественные аквапорины».

Источник: Phys.org