Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Biyolojik Bilimler Bölümü’nden bilim insanlarının liderliğindeki bir ekip; Fransa Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) ile işbirliği içinde, kendiliğinden gözenekli bir yapı oluşturabilen özel bir protein taklidi sentezlemeyi başardı. Lipit zarına dahil edildiğinde, bu gözenekler suyun seçici bir şekilde zardan geçişine izin verirken tuzu (iyonları) geri çeviriyor.
‘Oligoüre foldamerleri’ olarak bilinen bu protein taklitleri, mevcut endüstriyel su arıtma yöntemlerinin enerji verimliliğini artırmak için kullanılabilecek tamamen yeni bir yapay su kanalları (AWC) sınıfını temsil etmektedir.
Mevcut su arıtma yöntemleri ters osmoz ve membran distilasyon teknolojilerinin kullanımını içerir. Ancak, ters osmoz yüksek enerji gerektiren bir işlemdir çünkü deniz suyu veya atık suyun yarı geçirgen membranlar dizisi üzerinden geçirilmesi için yüksek basınç gerekmektedir. Bu sayede tuz ve diğer kirleticiler uzaklaştırılır.
İklim değişikliği ve tatlı suya olan talep artışı ışığında, büyük ölçekli tuzdan arındırma amaçları için su seçici membranlar geliştirmeye yönelik bir itici güç vardır. Bu buluş, bu çabalara mükemmel bir katkıdır. Bu oligoüre foldamerlerin oluşturduğu gözeneklerin nispeten yüksek su geçirgenliği, su arıtma için genel enerji ihtiyacının potansiyel olarak azaltılabileceğine işaret etmektedir.
Geleneksel Membran Teknolojilerinin Sınırlamalarını Ele Almak
Bu alandaki araştırmalar büyük ölçüde, tek sıra halinde su moleküllerinin geçişine izin veren gözenekler içeren, doğal olarak oluşan proteinler olan akuaporinler ile membranlar üretmeye odaklanmıştır. Bunlar “su kanalları” olarak bilinir ve mikroplar, bitki ve hayvan hücreleri dahil tüm canlı hücrelerin hücre membranlarında bulunurlar.
Akuaporinlerin karmaşık yapısı nedeniyle, su arıtma membranlarında kullanmak için bu hacimli proteinin yeterli miktarlarda sentezlenmesi hala pahalı ve zaman alıcı bir süreçtir.
8 Mayıs 2023’te bilimsel dergi Chem’de yayınlanan bir makalede, Profesör Prakash Kumar liderliğindeki bir NUS bilim insanı ekibi, kendiliğinden transmembran kanal benzeri yapılar ve gözenekler oluşturabilen daha basit bir moleküler bileşen geliştirilmesinde bir atılım tanımladı.
Bu yapılar, tuz ve diğer kirleticilerin geri dönüştürülürken sadece su moleküllerinin membrandan geçişine izin vererek akuaporin işlevlerini taklit eder. Bireysel oligoüre foldamer de sadece 10 amino asit kalıntısı uzunluğunda çok daha küçük boyuttadır – bu da onların akuaporine veya diğer AWC sınıflarına kıyasla modifiye etmeyi, sentezlemeyi ve saflaştırmayı kolaylaştırır.
Nasıl Çalışır?
Foldamerler, doğası gereği amfifiliktir, yani farklı yüklere sahiptirler; bu sayede birbirlerine yakın olduklarında mıknatısların top haline gelme eğiliminde olduğu gibi, daha karmaşık yapılar oluşturmak için bir araya gelebilirler. Oluşan karmaşık veya dörderli yapılar, hidrofobik ve elektrostatik etkileşimler olarak bilinen güçlü bağlarla desteklenen gözenek benzeri su kanalları içerir.
Hidrofobik bileşenler, lipit membranlara yerleşmeye olanak tanıyacak şekilde dış kısımda kümelenmiştir. Gözeneklerin iç kısmı (lümen) daha hidrofiliktir, bu sayede su molekülleri membrandan geçiş yaparken iyonların geçişi engellenir. Bu da laboratuvar testlerinde lipit zarlarda gözlenen seçici su geçirgenliğinden sorumludur.
Bilim insanları, oligoüre foldamerlerin doğal porin benzeri yapılarla benzer işleve sahip olduğunu keşfetti. Bu da onları su arıtımı için AWC membranlarının üretilmesi için olası adaylar haline getiriyor.
Daha Fazla Stabilite ve Degradasyona Karşı Direnç
NUS araştırmacıları tarafından geliştirilen foldamerlerin diğer AWC’lere kıyasla daha sağlam oldukları da gösterildi.
Normal proteinler, peptit bağlarıyla birbirine bağlanmış amino asitlerden oluşur. Bu peptit bağları, proteinleri sindiren mikrobiyal enzimler tarafından kesilebilir ve bu tür mikroplar işlenmemiş suda bulunur. Araştırmalarında, NUS bilim insanları peptit bağlarının yerine üre bağları koyarak oligoüre foldamerlerin enzimatik ve mikrobiyal bozulmaya daha az duyarlı hale getirdiler.
Kendi Kendine Gözenek Oluşturan İlk Protein Taklitleri
Oligoüre foldamerlerin geliştirilmesi, su molekülleri için yüksek gözeneklilik ve seçiciliğe sahip kesin nano yapılar oluşturabilen, kendinden birleşen kısa moleküler zincirler kullanarak AWC’ler oluşturma konusunda yayınlanmış ilk girişimi temsil eder.
Çevre Araştırmaları Enstitüsü ile ortak göreve sahip olan Profesör Kumar şöyle dedi: “Bu yeni yapay su kanalı sınıfının keşfi önemlidir çünkü bireysel foldamer molekülleri, diğer AWC’lerde olduğu gibi gözeneklere sahip değildir, gözenekleri daha büyük moleküler yapıları içindedir. Yenilikçi tasarımımızda, suya seçici gözenekler sadece birimler bir araya geldiğinde ortaya çıkıyor. Yüksek su geçirgenliği, proteolitik bozulmaya direnç ile birlikte bu foldamerleri endüstriyel su arıtma uygulamaları için mükemmel adaylar yapıyor.”
Sonraki Adımlar
İlk aşamada ekip, kendi kendine birleşen moleküllerin su arıtma yeteneklerini göstermek için foldamerleri test membranına uyguladı.
Araştırmanın bir sonraki aşaması için, ekip foldamerlerin üretimini optimize etmeyi ve endüstriyel bir su arıtma tesisinde verimliliğini test etmeden önce daha büyük bir membrana uygulamayı planlıyor. [1]Scientists develop a new class of artificial water channels for more efficient industrial water purification
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
