PoreDesigner forbedrer proteinkanaldesign til vandbehandling, bioseparationer

PoreDesigner, en fuldt automatiseret computerberegningsproces til ændring af porestørrelsen af ​​et bakteriekanalprotein, er resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Penn State og University of Illinois i Urbana-Champaign. Denne proces muliggør samling af proteiner i kunstige membraner til præcis sub-nanometer skala adskillelse af opløste stoffer med marginal størrelse forskel, som kan forbedre vandrensning og bioseparationer.

PoreDesigner giver en designprocedure til tuning af porestørrelsen af ​​kanalproteinet OmpF, findes i den ydre membran af E. coli bakterieceller. Biologiske membraner er en ideel model til syntetiske membraner, fordi deres porer alle har nøjagtig samme størrelse, som giver høj produktivitet kombineret med høj selektivitet - kun molekyler af den ønskede størrelse og form kommer igennem. De biologiske membraner har forskellige proteinkanaler, der transporterer vand, ioner og små molekyler mellem celler. De blokerer også urenheder, der ikke kan passe gennem porerne.

"Det er svært at skabe ensartet fordelt, ens porestørrelser i kunstige membraner som de polymere, der bruges i industrien, men hvis vi kunne, vand ville gå hurtigere igennem og på samme tid, blokere molekyler større end porerne, "sagde Ratul Chowdhury, ph.d.-kandidat i kemiteknik, rådgivet af Manish Kumar, lektor i kemiteknik og Costas Maranas, Donald B. Broughton professor i kemiteknik. "De naturlige porer, vi begyndte med, var større end én nanometer. Vi konstruerede dem til at være subnanometerstørrelser, som er mere nyttige til at adskille visse kommercielt vigtige molekyler."

At designe porestørrelser med præcision i området på eller mindre end 1 nanometer er et problem for kunstige membraner. Ved denne størrelse eller mindre, små variationer kan virke ubetydelige. Imidlertid, helt at afvise visse urenheder såsom salt, porerne skal være i størrelsesordenen 0,3 til 0,4 nanometer.

"OmpF-proteinet blev valgt, fordi det er et mere strukturelt stabilt molekyle end de mere udbredte undersøgte aquaporinmolekyler, så hypotesen var, at hvis vi foretager ændringer i det originale OmpF-molekyle for at gøre dets porestørrelse mindre, ville det stadig bevare dets strukturelle stabilitet, " sagde Chowdhury. Forskerne offentliggjorde deres resultater i Naturkommunikation .

Porestørrelsen af ​​OmpF er 11 ångstrøm, og forskerholdet reducerede porestørrelsen ved systematisk at udfylde porerne med hydrofobe, eller vandafvisende, aminosyrer.

"Fra eksperimenter, vi fandt ud af, at vi effektivt kunne afvise salt med disse proteiner, når de blev sat i en membransamling, " sagde Chowdhury.

De fandt også ud af, at det er muligt at reducere porerne til bestemte størrelser, spænder fra 0,3 til 1 nanometer, at afvise forskellige urenheder, skabe tilpassede sigte i angstromskala. Holdet kalder dette overordnede initiativ med at målrette angststrøm - en tiendedel af en nanometer - porer efter design, Dial-an-Angstrom-initiativet.

PoreDesigner -processen producerer også vandkanaler, der gennemsyrer hurtigere end biologiske vandkanaler. Dette skyldes, at de mere hydrofobe indre porevægge i det redesignede OmpF-protein forhindrer vandet i at interagere med porevæggen, muliggør hurtigere transport af vand.

Der er flere fordele ved PoreDesigner-arbejdsgangen og de resulterende kanaler. Denne proces sparer energi, fordi disse vandkanaler er mere selektive og produktive. PoreDesigner muliggør også præcise porestørrelser til bioseparationsprocesser, der er ekstremt vanskelige, såsom adskillelse af glukose og fruktose, og saccharose fra glycin. Ud over, på grund af dets effektivitet til at filtrere salt ud, PoreDesigner kan muligvis sætte kystsamfund i stand til at have en pålidelig vandkilde.

Ud over vandrensning, forskerne forsøger at konstruere porerne til at afvise protoner, mens de bare tillader vand at passere igennem. Hvis det lykkes, dette kunne forbedre diffusionsvægtet magnetisk resonansbilleddannelse, hvor manipulerede transportproteiner begynder at blive brugt.

"Jo højere strømningshastigheden af ​​vand gennem kanalerne er, jo bedre opløsning er MR-billedet, "Sagde Chowdhury." Vi har vist, at vores OmpF -designs allerede gennemsyrer vand i en størrelsesorden hurtigere end nogen kanal rapporterede, så vores design kan være meget vigtigt for medicinsk billedbehandling."

Chowdhury tilføjede, at PoreDesigner bærer løfte om anvendelse i rumflyvninger og fremtidige rumhabitater til filtrering af urin for at få rent vand, hvilket ville være meget vigtigt for at bruge og genbruge knappe vandforsyninger.

"Ratul vandt prisen for bedste papir i 2018 for dette arbejde fra Department of Chemical Engineering og blev for nylig udvalgt til North American Membrane Society Student Fellowship, " sagde Kumar. "Disse priser er velfortjente, da Ratul var drivkraften for dette arbejde og virkelig ejede alle aspekter af projektet."

Andre forskere fra Penn State om dette projekt er Tingwei Ren, doktorand i kemiteknik; Matthew Grisewood, forskningsassistent i kemiteknik; og Jeevan Prabhakar, bachelor forsker i kemiteknik. Kumar og Maranas ledede forskningen i fællesskab. Manish Shankla, ph.d.-kandidat ved UIUC; Karl Decker, forskningsassistent ved UIUC; og Aleksei Aksimentiev, professor i fysik ved UIUC, også deltaget i undersøgelsen.