membrane biologiche, come le "pareti" della maggior parte dei tipi di cellule viventi, costituiti principalmente da un doppio strato di lipidi, o "doppio strato lipidico, "che forma la struttura, e una varietà di proteine ​​incorporate e attaccate con funzioni altamente specializzate, comprese le proteine ​​che trasportano rapidamente e selettivamente ioni e molecole dentro e fuori la cellula.

Le membrane artificiali sono state utilizzate per processi industriali su piccola e grande scala dalla metà del XX secolo, tuttavia la loro inefficienza può rendere alcuni processi relativamente lenti e costosi. Gli scienziati hanno cercato a lungo di sviluppare membrane sintetiche che potessero eguagliare la selettività e il trasporto ad alta velocità offerti dalle loro controparti naturali.

Ora un team guidato dai ricercatori dell'Università della California Berkeley ha progettato e, utilizzando lo scattering di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ha anche caratterizzato con precisione un nuovo polimero che è efficace quanto le proteine ​​naturali nel trasporto di protoni attraverso una membrana. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Natura .

Questa importante pietra miliare ha il potenziale per trasformare un'ampia gamma di tecnologie, come rendere le batterie e i sistemi di purificazione dell'acqua più efficienti e meno costosi, e la produzione di biocarburanti e prodotti farmaceutici migliorati in modo più efficiente in termini di costi.

"Abbiamo inserito i nostri nuovi polimeri nei doppi strati lipidici, e trasportavano protoni così come proteine ​​naturali, " disse Ting Xu, professore alla UC Berkeley e scienziato della facoltà per la Divisione di scienze dei materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

"I polimeri sono molto difficili da visualizzare e studiare a causa del contrasto limitato tra la loro densità e quella dei lipidi. Quindi abbiamo migliorato il contrasto deuterando selettivamente i lipidi nei campioni, il che significa che abbiamo sostituito alcuni dei loro atomi di idrogeno con atomi di deuterio, che i neutroni sono particolarmente bravi a differenziarsi dagli atomi di idrogeno.Questo ci ha permesso di usare la diffusione dei neutroni a Oak Ridge per "vedere" meglio le dimensioni e la forma dei singoli polimeri, " ha aggiunto Xu.

Lavorando al reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR), i ricercatori hanno utilizzato la linea di luce di diffusione di neutroni a piccolo angolo (GP-SANS) per scopi generali per condurre i loro esperimenti.

"Lo strumento GP-SANS ha permesso al team guidato dai ricercatori dell'UC Berkeley di determinare che i polimeri erano strutture compatte disperse in modo casuale all'interno della membrana, anziché raggruppate insieme, " ha detto William T. Heller, il capo del team SANS/Spin Echo all'ORNL. "Abbiamo scelto lo strumento GP-SANS perché è ideale per le dimensioni del polimero e il suo fascio intenso è eccellente per studiare campioni che non si disperdono fortemente".

Xu e i suoi collaboratori hanno detto che i quattro monomeri, i principali componenti del nuovo polimero, possono essere raggruppati in modi diversi per produrre mimici funzionali di proteine. "Ciò che rende la nostra nuova tecnica così promettente è che è scalabile, e la conoscenza per farlo è prontamente disponibile, " ha detto Xu. "Considerando il vasto numero di monomeri disponibili e i recenti progressi nella chimica dei polimeri, le possibilità di sposare i campi sintetico e biologico sono quasi illimitate."