技术介绍
 
改变世界的奇迹
水通道蛋白膜技术中的首要结构单元是水通道蛋白分子,其具体描述如下:
活细胞被脂质双层膜包围,由此将活细胞与其他细胞及其细胞外基质分离开来。脂质双层膜对于水、离子和其他极性分子一般是不可渗入的;然而,在许多情况下,这些物质需要迅速且有选择性地经过脂质双层膜进行输送,常常对细胞外或者细胞内信号做出回应。水输送任务是通过水通道蛋白来实现的。
水通道蛋白对于任何形式的生命都至关重要,它们存在于所有生物体中,细菌、植物乃至人类。水通道蛋白有助于水输送快速且高选择性进行,从而使细胞能够根据穿过细胞膜的静水压力和/或渗透压力差来调节其体积和内部渗透压。水通道蛋白对于人类生理学的意义可能在肾脏方面最为明显。在肾内每天大约150-200升水需要从原尿中进行再吸收,也就是说,当水分子必须从体液中快速回收时,水通道蛋白便被激活以进行水运输。
然而,根据实验结构提出的具体电脑模型,不仅解释了高纯水通量和高的截留率,同时还解释了水通道蛋白防止质子泄漏的能力。从本质上讲,当通道内部的静电调节作用控制着水通道蛋白以禁止任何带电物质通过时,也就是说,任何盐(离子)以及质子和羟基离子的运输被取消时,水通道蛋白的通道架构使得水分子只能单列通过。
从1992年发现水通道蛋白(普雷斯顿等人,1992年)到现在, 短短10年时间,对水通道蛋白水通道功能的理解几乎完全达到原子层次。彼得•阿格雷教授因在2003年发现水通道蛋白水通道而在最近被授予诺贝尔化学奖,更加彰显了这一伟大成就。
水通道在真核和原核生物中的生理作用已被阐明,它们在活细胞中的作用正变得越来越有据可查。对水通道蛋白及其在生活中的作用的了解开启了在工业方面使用水通道蛋白的可能性。水通道蛋白的目标是将水通道蛋白作为工业和家庭用水过滤和净化中所用水过滤装置的基石。
仿生膜 – 源于自然的全新分离技术方法
自然界中存在着丰富的高性能分离膜,能够为数量庞大的各种类型分子,提供具有高度方向选择性的运输。这一状况正不断驱使分离膜行业,以极为不同的方式开发出各种合成分离膜工艺。
传统分离膜主要是高密度聚合物薄膜,其中采用了先进的化学技术,用于控制薄膜产品的表面特性。各种聚合物和生产技术的采用,丰富了分离膜的结构和功能,从而可以满足多种多样的应用要求。用于阐述分离的术语通常包括,孔隙/溶质大小、孔隙/溶质电荷和介电效应、以及扩散或对流流动。有时候,还会采用更为复杂的区分方法和运输机制加以说明。但大多数合成分离膜通常被描述为,含有微米至纳米级孔隙的聚合物薄膜。
这与纷乱庞杂的生物膜形成鲜明对比。30%的人类膜蛋白基因组编码,或一个典型的哺乳动物细胞膜,就包含了几百种脂质类型。
尽管在过去几十年中,我们在分子层面上对生物膜运输的了解有了长足进步,但由于其复杂性,对于活细胞如何保持完整和发挥功能,我们仍然有很多未明之处。
将重点放在分离膜的组成和功能上,是了解分离膜和膜运输的更好方式。如果我们想要利用或模仿大自然在选择性膜运输方面的惊人能力,认识到这一点是至关重要的。仿生膜这一术语就代表着在这个努力方向上的共识。例如,最近的仿生膜技术进展就包括,用于离子通道研究的低噪音记录设备、无支撑三嵌段共聚物膜、固定化酶、以及渗透汽化膜。
在仿生膜开发过程中,必须要知道一些形态学指标,如形成分离膜的两亲化合物(脂类或嵌段共聚物类型)的数量和内在特性、平衡厚度、以及覆盖范围。以下这些交互作用特性也同样重要:对机械扰动的稳定性(如对于流体静力学或渗透压差变化的粘弹性响应)、再生率(自我修复)、功能肽或蛋白质被吸附/吸收的难易程度(一旦被吸收,蛋白质与两亲基质如何进行交互作用)、以及表面能(如静电)。
在仿生膜开发过程中,最大的挑战也许来自于对分离膜及其支撑物的了解,尤其是支撑物也具有多孔性,并且能够使物质穿过分离膜进行运输。在Aquaporin的案例中,已嵌入水通道蛋白的仿生膜,必须能够经受住10bar的压力,且水通量大于100升/平米/小时。因此,Aquaporin Inside™膜与相应的多孔支撑材料的开发,必须要同步进行。

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