由新加坡国立大学 (NUS) 生物科学系科学家领导的团队与法国科学研究中心 (CNRS) 合作，成功合成了一种可以自组装的特殊蛋白质模拟物成孔隙结构。
当结合到脂质膜中时，这些孔允许水选择性地穿过膜，同时排斥盐（离子）。
这些蛋白质模拟物被称为“oligoureafoldamers”，代表了一类全新的人工水通道（AWC），可用于提高现有工业水净化方法的能源效率。
当前的水净化方法涉及使用反渗透和膜蒸馏技术。然而，反渗透是一个高度能源密集型的过程，因为需要高压使海水或废水通过一系列半透膜以去除盐和其他污染物。鉴于气候变化和对淡水需求的不断增长，人们迫切需要开发更节能的水选择性膜以用于大规模海水淡化目的。本发明代表了对这些努力的卓越贡献。这些低聚尿素折叠体形成的孔隙相对较高的透水性表明，水净化的总体能量需求可能会降低。
解决传统膜技术的局限性
该领域的研究主要集中在用水通道蛋白制造膜，水通道蛋白是天然存在的蛋白质，含有允许水分子以单列形式通过的孔。它们被称为“水通道”，存在于所有活细胞（包括微生物、植物和动物细胞）的细胞膜中。
由于水通道蛋白的复杂结构，合成足够量的这种大体积蛋白质用于水净化膜仍然是一个昂贵且耗时的过程。
在 2023 年 5 月 8 日科学杂志Chem上发表的一篇论文中，由新加坡国立大学科学家团队描述了在开发更简单的分子组件方面取得的突破，该分子组件可以自组装以生成具有孔的跨膜通道状结构。
这些结构模仿水通道蛋白的功能，只允许水分子穿过膜，而盐和其他污染物则被拒绝。
单个低聚尿素折叠体的尺寸也小得多，只有 10 个氨基酸残基长，这使得它们与水通道蛋白或其他类别的 AWC 相比更容易修饰、合成和纯化。
折叠体本质上是两亲性的，这意味着它们具有不同的电荷，使它们能够组装成更复杂的结构，类似于磁铁在彼此靠近时倾向于聚集成球的方式。
由此产生的复合物或四元结构包含孔状水通道，这些水通道通过称为疏水和静电相互作用的强键进一步稳定。
疏水性成分聚集在外部，可以插入脂质膜中。孔的内部（内腔）更加亲水，这使得水分子可以穿过膜，同时阻止离子通过。
这就是实验室测试中观察到的跨脂质膜的选择性水渗透性的原因。
科学家们发现，低聚尿素折叠体在功能上与天然孔蛋白样结构相似，这使得它们成为制造用于水净化的 AWC 膜的可行潜在候选者。
新加坡国立大学研究人员开发的折叠器也被证明比其他 AWC 更坚固。
正常蛋白质由通过肽键连接在一起的氨基酸组成。这些肽键很容易被消化蛋白质的微生物酶切割，而此类微生物存在于未经处理的水中。
在他们的研究中，新加坡国立大学科学家用尿素键取代了肽键，这使得低聚尿素折叠体不易受到酶促和微生物降解的影响。
低聚脲折叠体的开发标志着首次公开尝试使用短分子链创建 AWC，该短分子链可以自组装成具有高孔隙率和水分子选择性的精确纳米结构。
这种新型人造水通道的发现意义重大，因为单个可折叠分子不包含任何孔隙，而不像其他在其较大分子结构中发现孔隙的AWC。
在新设计中，只有当单个单元自行组装时，才会出现水选择性孔隙。高透水性和抗蛋白水解性使这些折叠器成为工业水净化应用的绝佳选择。
在初始阶段，科学家团队将折叠器应用到测试膜上，以展示自组装分子的水净化能力。
在下一阶段的研究中，该团队计划优化折叠器的生产并将其应用于更大的膜，然后在工业水净化设施中测试其效率。
