Химики из Японии создали синтетический аналог аквапоринов — белков, обеспечивающих транспорт воды через клеточные мембраны. Ученые сначала синтезировали кольцеобразные молекулы, а затем собрали из них наноканалы с гидрофобной внутренней поверхностью. Скорость движения воды в наноканалах оказалась на два порядка выше, чем в природных аквапоринах, в то же время для отрицательно заряженных ионов они остались непроницаемыми. Результаты исследования опубликованы в журнале
Аквапорины или «водные каналы» — белки, которые образуют поры для воды в мембранах живых клеток. Благодаря своей структуре, аквапорины избирательно пропускают молекулы воды, но в то же время блокируют ионы и другие растворенные вещества. Ученые уже давно пытаются создать искусственный аналог аквапоринов — первые такие работы появились почти двадцать лет назад. Однако, все синтетические варианты пока что заметно уступали оригиналу: скорость фильтрации в них была ниже, а количество пропускаемых примесей — выше.
Решить эту задачу сумели японские ученые под руководством Такузо Аиды (Takuzo Aida) из Университета Токио. Группа Аиды хорошо известна своими работами по созданию новых полимерных материалов — мы писали, например, о самозаживляющемся материале на основе полиэфиров тиомочевины.
Айда и его коллеги решили выстелить внутреннюю поверхность наноканалов гидрофобными C-F фрагментами. (О гидрофобности фторорганики ученые знают уже давно — на этом основаны, например, свойства тефлона). Сначала Айда и его коллеги синтезировали строительные блоки для будущих каналов — молекулы-кольца. Ученые взяли 2,3 — дифтортерефталевую кислоту и провели ее конденсацию с ароматическим соединением, которое имело в составе две аминные группы. Среди продуктов были макромолекулы, состоящие из четырех, пяти или шести пар молекул исходных соединений, соединенных в кольцо. Все атомы фтора в этом случае оказываются на внутренней поверхности кольца.
Если использовать ароматический диамин с другими заместителями, строение полученных колец будет немного меняться. Всего авторам удалось выделить и охарактеризовать четыре варианта колец с разным количеством фтора — от 12 до 18 атомов — и с разным внутренним диаметром отверстия — от 0,9 до 1,9 нанометра. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса на ядрах 19F и квантово-химические расчеты подтвердили, что во всех молекулах атомы фтора остаются ориентированы внутрь кольца, образуя внутримолекулярные водородные связи. Если затем растворы полученных молекул-колец нагреть до 50 градусов Цельсия, происходит дальнейшая полимеризация. Кольца собираются одно над другим и соединяются в столбики — точнее, в трубочки, так как внутри каждого столбика остается сквозное отверстие. Это и есть будущий канал для фильтрации воды. Полученные конструкции стабильны и могут встраиваться, например, в фосфолипидные мембраны. Для дальнейших экспериментов авторы встроили их в мембраны из дипальмитоилфосфатидилхолина (DPPC).
Чтобы протестировать проницаемость материалов, ученые сделали из них миниатюрные капсулы, которые наполнили водным раствором флуоресцентного вещества карбоксифлуоресцеина в буфере хлорида натрия. Когда капсулы поместили в более концентрированный раствор хлорида натрия, осмотическое давление стало выталкивать воду из капсул наружу. О скорости диффузии воды через стенки капсул судили по снижению интенсивности флуоресценции — когда капсулы сжимались, концентрация флуоресцентного вещества в них росла, а интенсивность флуоресценции снижалась (это явление известно как концентрационное тушение флуоресценции).
Все четыре материала демонстировали более высокую проницаемость и скорость движения воды по сравнению с природными аквапоринными мембранами. А чемпионом неожиданно оказался материал с самым маленьким диаметром канала — 0,9 нанометра. Скорость фильтрации в нем достигала 8,7×10-10 миллилитров воды на один квадратный нанометр в секунду через один канал — это в пять-шесть раз больше, чем в материалах с более широкими каналами и почти на два порядка — чем в природных аквапоринах.
Чтобы объяснить такой контринтуитивный результат, авторы вновь обратились к компьютерному моделированию. Оказалось, что скорость движения воды через наноканалы зависит в том числе от стабильности кластеров водных молекул. Кластеры движутся медленнее, а вот, если разбить их на одиночные молекулы, процесс пойдет быстрее. Чем уже канал, тем чаще дробятся кластеры, и тем выше получается финальная скорость. К тому же в таких каналах диаметром 0,9 нанометров плотность гидрофобных CF-фрагментов на внутренней поверхности была самой высокой. Внутреннее покрытие из фтора также создает электростатический барьер, который не пропускает через канал отрицательно заряженные ионы. У материалов с диаметром канала 1,76 и 1,9 нанометра проницаемость для хлорид-ионов была на десять порядков ниже, чем для воды. А в экспериментах с материалами с диаметром канала 0,9 и 1,46 нанометра количество хлорида и вовсе оказалось ниже, чем предел обнаружения.
До коммерческого применения новых материалов пока что далеко — в основном из-за сложности их получения. Потери происходят и на этапе синтеза молекул-колец, и на стадии финальной сборки, и на этапе получения мембран — в результате суммарный выход не превышает один процент.
Но, если Аида и его коллеги придумают, как сделать материалы доступными, они смогут найти применение в самых разных технологиях — от опреснения воды до получения электроэнергии на границе емкостей с соленой и пресной водой. В конце прошлого года китайские химики разработали мембрану для экстракции урана из воды с иерархичной структурой пор, напоминающей структуру кровеносных сосудов. В результате эффективность экстракции урана увеличилась в двадцать раз.А о том, как вода движется по клеткам растений и как ученые пытаются воспроизвести это процесс в искусственных материалах, можно прочитать в нашем материале«Инспирировано буком».