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Jul 07, 2023

Gli scienziati della NUS sviluppano una nuova classe di artifici

Queste nanostrutture autoassemblanti, precise e complesse possono aiutare a purificare l'acqua in modo più efficiente Immagine dell'Università Nazionale di Singapore: un team di scienziati dell'Università Nazionale di Singapore

Queste nanostrutture autoassemblanti, precise e complesse possono aiutare a purificare l’acqua in modo più efficiente

Università Nazionale di Singapore

immagine: Un team di scienziati dell'Università Nazionale di Singapore composto (da sinistra a destra) dal professor Prakash Kumar, dal professor Manjunatha Kini, dal dottor Li Jianwei e dal dottor Pannaga Krishnamurthy, ha sviluppato una nuova classe di canali d'acqua artificiali per una purificazione dell'acqua industriale più efficiente.vedere di più

Credito: Università Nazionale di Singapore

Singapore, 2 agosto 2023 -- Un team guidato da scienziati del Dipartimento di Scienze Biologiche dell'Università Nazionale di Singapore (NUS), in collaborazione con il Centro francese per la ricerca scientifica (CNRS), ha sintetizzato con successo uno speciale mimo proteico in grado di autoassemblarsi in una struttura porosa. Quando incorporati in una membrana lipidica, i pori consentono il trasporto selettivo dell'acqua attraverso la membrana rifiutando il sale (ioni). Questi imitatori delle proteine, noti come "foldameri dell'oligourea", rappresentano una classe completamente nuova di canali idrici artificiali (AWC) che può essere utilizzata per migliorare l'efficienza energetica degli attuali metodi di purificazione dell'acqua industriale.

Gli attuali metodi di purificazione dell'acqua prevedono l'uso dell'osmosi inversa e delle tecnologie di distillazione a membrana. L’osmosi inversa, tuttavia, è un processo ad alta intensità energetica poiché sono necessarie alte pressioni per far passare l’acqua di mare o le acque reflue attraverso una serie di membrane semipermeabili per rimuovere sali e altri inquinanti. Alla luce del cambiamento climatico e della crescente domanda di acqua dolce, c’è l’impulso a sviluppare membrane più efficienti dal punto di vista energetico e selettive per l’acqua per scopi di desalinizzazione su larga scala. Questa invenzione rappresenta un eccellente contributo a questi sforzi. La permeabilità all’acqua relativamente elevata dei pori formati da questi foldameri di oligourea suggerisce che il fabbisogno energetico complessivo per la purificazione dell’acqua può essere potenzialmente ridotto.

Affrontare i limiti delle tecnologie a membrana convenzionali

La ricerca in questo campo si è concentrata in gran parte sulla fabbricazione di membrane con acquaporine, che sono proteine ​​presenti in natura contenenti pori che consentono alle molecole d'acqua di passare in un unico file. Sono conosciuti come "canali dell'acqua" e si trovano nelle membrane cellulari di tutte le cellule viventi, compresi i microbi, le cellule vegetali e animali. A causa della struttura complessa dell’acquaporina, sintetizzare quantità sufficienti di questa ingombrante proteina da utilizzare nelle membrane per la purificazione dell’acqua rimane un processo costoso e dispendioso in termini di tempo.

In un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Chem l'8 maggio 2023, un team di scienziati della NUS guidato dal professor Prakash Kumar ha descritto una svolta nello sviluppo di un componente molecolare più semplice in grado di autoassemblarsi per generare strutture simili a canali transmembrana con un poro . Queste strutture imitano le funzioni dell’acquaporina, consentendo solo alle molecole d’acqua di attraversare la membrana mentre i sali e altri inquinanti vengono respinti. I singoli foldameri dell'oligourea sono anche di dimensioni molto più piccole, con una lunghezza di soli 10 residui di amminoacidi, il che li rende più facili da modificare, sintetizzare e purificare rispetto all'acquaporina o ad altre classi di AWC.

Come funziona

I foldameri sono di natura anfifila, il che significa che possiedono cariche diverse che consentono loro di assemblarsi in strutture più complesse, in modo simile a come i magneti tendono ad aggregarsi in una palla quando sono vicini l'uno all'altro. Le strutture complesse, o quaternarie, risultanti contengono canali d'acqua simili a pori che sono ulteriormente stabilizzati da forti legami noti come interazioni idrofobiche ed elettrostatiche.

I componenti idrofobici sono raggruppati all'esterno che consentono l'inserimento nelle membrane lipidiche. L'interno (lume) del poro è più idrofilo, il che consente alle molecole d'acqua di muoversi attraverso la membrana rifiutando il passaggio degli ioni. E questo è responsabile della permeabilità selettiva all’acqua attraverso le membrane lipidiche osservata nei test di laboratorio. Gli scienziati hanno scoperto che i foldameri dell'oligourea avevano una funzione simile alle strutture naturali simili ai porini, il che li rende potenziali candidati validi per la fabbricazione di membrane AWC per la purificazione dell'acqua.