Diseñador de poros, un proceso de flujo de trabajo computacional totalmente automatizado para alterar el tamaño de los poros de una proteína del canal bacteriano, es el resultado de una colaboración entre investigadores de Penn State y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Este proceso permite el ensamblaje de las proteínas en membranas artificiales para una separación precisa a escala subnanométrica de solutos de diferencia de tamaño marginal, que puede mejorar la purificación y bioseparaciones del agua.

PoreDesigner proporciona un procedimiento de diseño para ajustar el tamaño de poro de la proteína del canal OmpF, que se encuentra en la membrana externa de las células bacterianas de E. coli. Las membranas biológicas son un modelo ideal para membranas sintéticas, porque sus poros son todos exactamente del mismo tamaño, lo que proporciona una alta productividad combinada con una alta selectividad:solo pasan las moléculas del tamaño y la forma deseados. Las membranas biológicas tienen varios canales de proteínas que transportan agua, iones y pequeñas moléculas entre las células. También bloquean las impurezas que no pueden pasar por los poros.

"Es difícil crear distribuidos uniformemente, tamaños de poros iguales en membranas artificiales como las de polímero utilizadas en la industria, pero si pudiéramos el agua pasaría más rápido y, al mismo tiempo, bloquear moléculas más grandes que los poros, "dijo Ratul Chowdhury, candidato a doctorado en ingeniería química, co-asesorado por Manish Kumar, profesor asociado de ingeniería química y Costas Maranas, Donald B. Broughton Profesor de Ingeniería Química. "Los poros naturales con los que comenzamos eran más grandes que un nanómetro. Los diseñamos para que tuvieran un tamaño subnanométrico, que son más útiles para separar ciertas moléculas comercialmente importantes ".

El diseño de tamaños de poros con precisión en el rango o menos de 1 nanómetro es un problema para las membranas artificiales. En este tamaño o más pequeño, las ligeras variaciones pueden parecer insignificantes. Sin embargo, para rechazar completamente ciertas impurezas como la sal, los poros deben ser del orden de 0,3 a 0,4 nanómetros.

"Se eligió la proteína OmpF porque es una molécula estructuralmente más estable que las moléculas de acuaporina más ampliamente estudiadas, por lo que la hipótesis era que si realizamos cambios en la molécula de OmpF original para reducir el tamaño de sus poros, aún conservaría su estabilidad estructural, ", Dijo Chowdhury. Los investigadores publicaron sus resultados en Comunicaciones de la naturaleza .

El tamaño de los poros de OmpF es de 11 angstroms, y el equipo de investigación redujo el tamaño de los poros rellenando sistemáticamente los poros con hidrofóbicos, o repelente al agua, aminoácidos.

"De experimentos, Descubrimos que podíamos rechazar de manera eficiente la sal con estas proteínas cuando se colocaban en un ensamblaje de membrana, "Dijo Chowdhury.

También encontraron que es posible reducir los poros a tamaños específicos, que van desde 0,3 a 1 nanómetro, rechazar diversas impurezas, creación de tamices personalizados a escala angstrom. El equipo llama a esta iniciativa general de apuntar a los poros de escala angstrom (una décima parte de un nanómetro) por diseño, la iniciativa Dial-an-Angstrom.

El proceso PoreDesigner también produce canales de agua que penetran más rápido que los canales de agua biológicos. Esto se debe a que las paredes de los poros internos más hidrófobos de la proteína OmpF rediseñada evitan que el agua interactúe con la pared de los poros. permitiendo un transporte de agua más rápido.

Existen múltiples beneficios para el flujo de trabajo de PoreDesigner y los canales resultantes. Este proceso ahorra energía porque estos canales de agua son más selectivos y productivos. El PoreDesigner también permite tamaños de poros precisos para procesos de bioseparación que son extremadamente difíciles, como separar glucosa y fructosa, y sacarosa de glicina. Además, debido a su eficacia para filtrar la sal, PoreDesigner podría potencialmente permitir que las comunidades costeras tengan una fuente confiable de agua.

Más allá de la purificación del agua, los investigadores están tratando de diseñar los poros para que rechacen los protones y, al mismo tiempo, permitan que el agua pase a través de ellos. Si tiene éxito, esto podría mejorar las imágenes de resonancia magnética ponderadas por difusión donde se están comenzando a utilizar proteínas de transporte modificadas.

"Cuanto mayor sea el caudal de agua a través de los canales, cuanto mejor sea la resolución de la imagen de resonancia magnética, ", Dijo Chowdhury." Hemos demostrado que nuestros diseños OmpF ya permean el agua en un orden de magnitud más rápido que cualquier canal informado, por lo que nuestros diseños podrían ser muy importantes para la obtención de imágenes médicas ".

Chowdhury agregó que PoreDesigner es prometedor para su aplicación en vuelos espaciales y futuros hábitats espaciales para filtrar la orina para obtener agua pura. lo que sería muy importante para utilizar y reciclar los escasos suministros de agua.

"Ratul ganó el premio al Mejor Trabajo en 2018 por este trabajo del Departamento de Ingeniería Química y fue seleccionado recientemente para la Beca de Estudiantes de la Sociedad de Membranas de América del Norte, ", dijo Kumar." Estos elogios son bien merecidos, ya que Ratul fue la fuerza impulsora de este trabajo y realmente se adueñó de todos los aspectos del proyecto ".

Otros investigadores de Penn State en este proyecto son Tingwei Ren, candidato a doctorado en ingeniería química; Matthew Grisewood, asistente de investigación en ingeniería química; y Jeevan Prabhakar, investigador de pregrado en ingeniería química. Kumar y Maranas codirigieron la investigación. Manish Shankla, candidato a doctorado en UIUC; Karl Decker, asistente de investigación en UIUC; y Aleksei Aksimentiev, profesor de física en UIUC, también participó en la investigación.