Fransız Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) ve Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Biyolojik Bilimler Bölümü güçlerini birleştirerek gözenekli yapılara kendi kendine monte olabilen benzersiz bir protein taklidi oluşturdu. Gözenekler, bir lipid membrana entegre edildiğinde tuzun (iyonların) geçişini engellerken suyun seçici transferine izin verir.
Genellikle “oligourea foldamer” olarak adlandırılan bu protein taklitleri, mevcut endüstriyel su arıtma tekniklerinin enerji verimliliğini artırmak için kullanılabilecek yepyeni bir yapay su kanalı (AWC) sınıfı oluşturmaktadır.
Ters ozmoz ve membran distilasyon teknolojileri günümüzde su arıtma süreçlerinde kullanılmaktadır.
Ancak ters osmoz, tuzları ve diğer yabancı maddeleri filtrelemek amacıyla atık suyu veya deniz suyunu bir dizi yarı geçirgen membrandan geçirmek için yüksek basınç kullandığından çok fazla enerji gerektirir.
İklim değişikliği ve artan tatlı su ihtiyacı göz önüne alındığında, büyük ölçekli tuzdan arındırma işlemleri için daha fazla su seçici, enerji tasarruflu membranlar yaratma yönünde bir baskı var. Bu buluş, bu tür çabalara harika bir katkıdır. Bu oligoüre katamerleri tarafından oluşturulan gözeneklerin nispeten yüksek su geçirgenliği, su filtrasyonu için gereken toplam enerjiyi azaltma olasılığını artırmaktadır.
Su moleküllerinin tek bir sıra halinde geçmesine izin veren gözeneklere sahip doğal olarak oluşan proteinler olan akuaporinler kullanılarak membranların oluşturulması, bu alandaki araştırmaların ana odak noktası olmuştur. Bakteriler, bitkiler ve hayvanlar da dahil olmak üzere tüm canlı hücrelerin hücre zarlarında “su kanalları” olarak bilinen yapılar bulunur.
Akuaporinin karmaşık yapısı nedeniyle, su filtreleme membranlarında kullanılmak üzere bu büyük proteinden yeterince üretmek hala pahalı ve zaman alıcı bir işlemdir.
Profesör Prakash Kumar liderliğindeki bir grup NUS araştırmacısı, 8 Mayıs 2023 tarihinde Chem bilimsel dergisinde yayınlanan bir makalede, gözenekli transmembran kanal benzeri yapılar üretmek için kendi kendine bir araya gelebilen daha basit bir moleküler bileşenin yaratılmasında bir atılımın altını çizdi.
Bu yapılar, tuzları ve diğer kirleticileri reddederken sadece su moleküllerinin membrandan geçmesini sağlayarak akuaporinlere benzer bir şekilde çalışır. Akuaporin veya diğer AWC türleriyle karşılaştırıldığında, tek tek oligoüre katamerlerinin değiştirilmesi, sentezlenmesi ve saflaştırılması çok daha kolaydır çünkü sadece 10 amino asit kalıntısı uzunluğundadırlar.
Katlayıcılar doğaları gereği amfifiliktir, yani mıknatısların birbirlerine yakın olduklarında genellikle bir top halinde toplanmaları gibi, daha karmaşık yapılar oluşturmak için bir araya gelmelerini sağlayan çeşitli yüklere sahiptirler. Kompleks veya kuaterner yapılarda ortaya çıkan gözenek benzeri su kanalları, hidrofobik ve elektrostatik etkileşimler olarak bilinen güçlü bağlarla daha da stabilize edilir.
Hidrofobik bileşenler, dış kısımda bir arada gruplandıklarından lipid membranların içine girmeyi sağlarlar. Su molekülleri membrandan geçebilir çünkü gözeneğin içi (lümen) daha hidrofiliktir ve bu da iyonların geçmesini engeller. Laboratuvar deneylerinde görülen lipid membranlar boyunca seçici su geçirgenliğine neden olan da budur.
Oligoüre katamerlerinin doğal porin benzeri yapılara benzer şekilde hareket ettiği bulunmuştur, bu da onları su filtrasyonu için AWC membranlarının oluşturulması için umut verici adaylar haline getirmektedir.
Geliştirilmiş stabilite ve bozunma direnci
Ayrıca, NUS araştırmacılarının katlayıcılarının diğer AWC’lerden daha güvenilir olduğu gösterilmiştir.
Amino asitler normal proteinlerin yapı taşlarıdır ve peptit bağları onları bir arada tutar. Bu peptit bağları proteinleri parçalayan mikrobiyal enzimler tarafından kırılabilir ve bu mikroorganizmalar arıtılmamış sularda bulunabilir. NUS bilim insanlarının araştırmalarında kullandıkları üre bağları, oligoüre katamerlerini enzim ve mikrobiyal parçalanmaya karşı daha dirençli hale getirdi.
İlk kez gözeneklere kendi̇li̇ği̇nden bi̇rleşen protei̇n takli̇tleri̇
Oligoüre katamerlerinin oluşturulması, su molekülleri için büyük gözeneklilik ve seçiciliğe sahip hassas nanoyapılara kendi kendine monte olabilen kısa moleküler zincirleri kullanarak AWC’ler yapmak için belgelenmiş ilk çabayı temsil etmektedir.
NUS Çevre Araştırma Enstitüsü ile ortak bir görevde bulunan Prof Kumar’a göre, bu yeni yapay su kanalı sınıfının keşfi önemlidir, çünkü gözeneklerin daha büyük moleküler yapıları içinde bulunduğu diğer AWC’lerin aksine, bireysel foldamer molekülleri herhangi bir gözenek içermez. Yenilikçi tasarımımızdaki su seçici gözenekler, ancak tek tek birimler kendi kendine birleştiğinde görünür hale geliyor. Bu katamerler, yüksek su geçirgenlikleri ve proteolitik bozulmaya karşı dirençleri nedeniyle ticari su arıtma uygulamaları için iyi adaylardır.
Katlayıcılar ilk olarak, moleküllerin kendi kendine birleşme ve suyu arıtma kapasitesini göstermek için bilim ekibi tarafından bir test membranına uygulandı.
Ekip, önümüzdeki araştırma aşaması için katlayıcıların üretimini optimize etmeyi ve endüstriyel bir su arıtma tesisinde etkinliğini test etmeden önce bunları daha geniş bir membrana uygulamayı amaçlıyor.
Kaynak: phys.org/news/2023-08-scientists-class-artificial-channels-efficient.html
