Pore ​​Designer, un processo di flusso di lavoro computazionale completamente automatizzato per alterare la dimensione dei pori di una proteina del canale batterico, è il risultato di una collaborazione tra ricercatori della Penn State e dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. Questo processo consente l'assemblaggio delle proteine ​​in membrane artificiali per una separazione precisa su scala sub-nanometrica dei soluti con differenze di dimensioni marginali, che può migliorare la purificazione e la bioseparazione dell'acqua.

PoreDesigner fornisce una procedura di progettazione per regolare la dimensione dei pori della proteina canale OmpF, trovato nella membrana esterna delle cellule batteriche di E. coli. Le membrane biologiche sono un modello ideale per le membrane sintetiche, perché i loro pori sono tutti esattamente della stessa dimensione, che fornisce un'elevata produttività combinata con un'elevata selettività:solo le molecole della dimensione e della forma desiderate passano. Le membrane biologiche hanno vari canali proteici che trasportano acqua, ioni e piccole molecole tra le cellule. Bloccano anche le impurità che non possono passare attraverso i pori.

"È difficile creare una distribuzione uniforme, uguali dimensioni dei pori nelle membrane artificiali come quelle polimeriche utilizzate nell'industria, ma se potessimo, l'acqua passerebbe più velocemente e, allo stesso tempo, bloccare le molecole più grandi dei pori, " disse Ratul Chowdhury, dottorando in ingegneria chimica, co-consigliato da Manish Kumar, professore associato di ingegneria chimica e Costas Maranas, Donald B. Broughton Professore di ingegneria chimica. "I pori naturali con cui abbiamo iniziato erano più grandi di un nanometro. Li abbiamo progettati per essere di dimensioni subnanometriche, che sono più utili per separare alcune molecole commercialmente importanti."

Progettare dimensioni dei pori con una precisione nell'intervallo di o meno di 1 nanometro è un problema per le membrane artificiali. A questa dimensione o inferiore, lievi variazioni possono sembrare insignificanti. Però, per respingere completamente alcune impurità come il sale, i pori devono essere dell'ordine di 0,3-0,4 nanometri.

"La proteina OmpF è stata scelta perché è una molecola strutturalmente più stabile rispetto alle molecole di acquaporina più ampiamente studiate, quindi l'ipotesi era che se apportassimo modifiche alla molecola OmpF originale per ridurre la dimensione dei suoi pori, avrebbe comunque mantenuto la sua stabilità strutturale, " Ha detto Chowdhury. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura .

La dimensione dei pori di OmpF è di 11 angstrom, e il team di ricerca ha ridotto la dimensione dei pori riempiendo sistematicamente i pori con idrofobico, o idrorepellente, aminoacidi.

"Da esperimenti, abbiamo scoperto che potevamo rifiutare in modo efficiente il sale con queste proteine ​​quando messe in un assemblaggio di membrane, "Chowdhury ha detto.

Hanno anche scoperto che è possibile ridurre i pori a dimensioni specifiche, che vanno da 0,3 a 1 nanometro, per respingere le varie impurità, creazione di setacci personalizzati in scala angstrom. Il team chiama questa iniziativa globale di mira angstrom - un decimo di nanometro - pori in scala in base alla progettazione, l'iniziativa Dial-an-Angstrom.

Il processo PoreDesigner produce anche canali d'acqua che permeano più velocemente dei canali d'acqua biologici. Ciò è dovuto alle pareti interne dei pori più idrofobe della proteina OmpF ridisegnata che impedisce all'acqua di interagire con la parete dei pori, consentendo un trasporto più rapido dell'acqua.

Ci sono molteplici vantaggi per il flusso di lavoro PoreDesigner e i canali risultanti. Questo processo consente di risparmiare energia perché questi canali d'acqua sono più selettivi e produttivi. Il PoreDesigner consente inoltre dimensioni precise dei pori per processi di bioseparazione estremamente difficili, come la separazione di glucosio e fruttosio, e saccarosio dalla glicina. Inoltre, per la sua efficacia nel filtrare il sale, PoreDesigner potrebbe potenzialmente consentire alle comunità costiere di disporre di una fonte d'acqua affidabile.

Oltre alla purificazione dell'acqua, i ricercatori stanno cercando di ingegnerizzare i pori per respingere i protoni lasciando passare l'acqua. In caso di successo, ciò potrebbe migliorare l'imaging a risonanza magnetica ponderato in diffusione dove si iniziano a utilizzare proteine ​​di trasporto ingegnerizzate.

"Più alta è la portata dell'acqua attraverso i canali, migliore è la risoluzione dell'immagine MRI, " ha detto Chowdhury. "Abbiamo dimostrato che i nostri progetti OmpF permeano già l'acqua a un ordine di grandezza più veloce di qualsiasi canale segnalato, quindi i nostri progetti potrebbero essere molto importanti per l'imaging medico".

Chowdhury ha aggiunto che PoreDesigner promette l'applicazione nei voli spaziali e nei futuri habitat spaziali per filtrare l'urina per ottenere acqua pura, che sarebbe molto importante per l'utilizzo e il riciclaggio delle scarse risorse idriche.

"Ratul ha vinto il premio Best Paper nel 2018 per questo lavoro dal Dipartimento di Ingegneria Chimica ed è stato recentemente selezionato per la North American Membrane Society Student Fellowship, " ha detto Kumar. "Questi riconoscimenti sono ben meritati poiché Ratul è stato la forza trainante per questo lavoro e possedeva davvero tutti gli aspetti del progetto".

Altri ricercatori di Penn State su questo progetto sono Tingwei Ren, dottorando in ingegneria chimica; Matteo Griswood, assistente di ricerca in ingegneria chimica; e Jeevan Prabhakar, ricercatore universitario in ingegneria chimica. Kumar e Maranas hanno co-diretto la ricerca. Manish Shankla, dottorando presso UIUC; Karl Decker, assistente di ricerca presso UIUC; e Aleksej Aksimentiev, professore di fisica all'UIUC, partecipato anche alla ricerca.