Nye syntetiske proteiner konkurrerer med deres naturlige modstykker inden for protontransport

Biologiske membraner, såsom "vægge" i de fleste typer af levende celler, består primært af et dobbelt lag af lipider, eller "lipid dobbeltlag, "der danner strukturen, og en række indlejrede og vedhæftede proteiner med højt specialiserede funktioner, herunder proteiner, der hurtigt og selektivt transporterer ioner og molekyler ind og ud af cellen.

Kunstige membraner er blevet brugt til små og store industrielle processer siden midten af ​​det tyvende århundrede, alligevel kan deres ineffektivitet gøre nogle processer relativt langsomme og dyre. Forskere har længe søgt at udvikle syntetiske membraner, der kunne matche den selektivitet og højhastighedstransport, som deres naturlige modstykker tilbyder.

Nu har et hold ledet af University of California Berkeley-forskere designet og - ved hjælp af neutronspredning ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - også præcist karakteriseret en ny polymer, der er lige så effektiv som naturlige proteiner til at transportere protoner gennem en membran. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i Natur .

Denne store milepæl har potentialet til at transformere en bred vifte af teknologier, som at gøre batterier og vandrensningssystemer mere effektive og billigere, og at producere forbedrede biobrændstoffer og lægemidler mere omkostningseffektivt.

"Vi indsatte vores nye polymerer i lipid-dobbeltlag, og de transporterede protoner lige så godt som naturlige proteiner, " sagde Ting Xu, en professor ved UC Berkeley og fakultetsforsker for Materials Sciences Division ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Polymerne er meget vanskelige at afbilde og studere på grund af den begrænsede kontrast mellem deres tæthed og lipiders. Så vi forbedrede kontrasten ved selektivt at deuterere lipiderne i prøverne - hvilket betyder, at vi erstattede nogle af deres brintatomer med deuteriumatomer - hvilket neutroner er særligt gode til at skelne fra brintatomer. Det gjorde det muligt for os at bruge neutronspredning ved Oak Ridge for bedre at 'se' størrelsen og formen af ​​de individuelle polymerer, " tilføjede Xu.

Arbejder hos ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR), forskerne brugte GP-SANS-strålelinjen til at udføre deres eksperimenter.

"GP-SANS-instrumentet gjorde det muligt for holdet ledet af forskere ved UC Berkeley at bestemme, at polymererne var kompakte strukturer, der var tilfældigt spredt i membranen - i modsætning til klumpet sammen, " sagde William T. Heller, SANS/Spin Echo-teamlederen hos ORNL. "Vi valgte GP-SANS-instrumentet, fordi det er ideelt til polymerens størrelse, og dets intense stråle er fremragende til at studere prøver, der ikke spredes stærkt."

Xu og hendes samarbejdspartnere sagde, at de fire monomerer, hovedkomponenterne i den nye polymer, kan grupperes på forskellige måder for at producere funktionelle protein-efterligninger. "Det, der gør vores nye teknik så lovende, er, at den er skalerbar, og viden til at gøre dette er let tilgængelig, " sagde Xu. "I betragtning af det store antal tilgængelige monomerer og de seneste fremskridt inden for polymerkemi, mulighederne for at forene de syntetiske og biologiske felter er næsten ubegrænsede."