PoreDesigner, um processo de fluxo de trabalho computacional totalmente automatizado para alterar o tamanho dos poros de uma proteína do canal bacteriano, é o resultado de uma colaboração entre pesquisadores da Penn State e da University of Illinois at Urbana-Champaign. Este processo permite a montagem das proteínas em membranas artificiais para separação precisa em escala sub-nanométrica de solutos de diferença de tamanho marginal, que pode melhorar a purificação da água e biosseparações.

O PoreDesigner fornece um procedimento de design para ajustar o tamanho dos poros da proteína do canal OmpF, encontrado na membrana externa das células bacterianas de E. coli. As membranas biológicas são um modelo ideal para membranas sintéticas, porque seus poros são exatamente do mesmo tamanho, que fornece alta produtividade combinada com alta seletividade - apenas moléculas com o tamanho e a forma desejados passam. As membranas biológicas têm vários canais de proteínas que transportam água, íons e pequenas moléculas entre as células. Eles também bloqueiam as impurezas que não passam pelos poros.

"É difícil criar uma distribuição uniforme, tamanhos iguais de poros em membranas artificiais, como as de polímero usadas na indústria, mas se pudéssemos, a água passaria mais rápido e, ao mesmo tempo, bloquear moléculas maiores do que os poros, "disse Ratul Chowdhury, candidato a doutorado em engenharia química, co-aconselhado por Manish Kumar, professor associado de engenharia química e Costas Maranas, Donald B. Broughton Professor de Engenharia Química. "Os poros naturais com os quais começamos eram maiores do que um nanômetro. Nós os projetamos para terem um tamanho de subnanômetro, que são mais úteis para separar certas moléculas comercialmente importantes. "

Projetar tamanhos de poros com precisão na faixa de ou menos de 1 nanômetro é um problema para membranas artificiais. Com este tamanho ou menor, pequenas variações podem parecer insignificantes. Contudo, rejeitar completamente certas impurezas, como sal, os poros precisam ser da ordem de 0,3 a 0,4 nanômetros.

"A proteína OmpF foi escolhida porque é uma molécula estruturalmente mais estável do que as moléculas de aquaporina mais amplamente estudadas, portanto, a hipótese era que, se fizermos alterações na molécula OmpF original para diminuir o tamanho de seus poros, ela ainda manterá sua estabilidade estrutural, "Chowdhury disse. Os pesquisadores publicaram seus resultados em Nature Communications .

O tamanho dos poros de OmpF é 11 angstroms, e a equipe de pesquisa reduziu o tamanho dos poros, preenchendo sistematicamente os poros com hidrofóbico, ou repelente de água, aminoácidos.

"A partir de experimentos, descobrimos que poderíamos rejeitar com eficiência o sal com essas proteínas quando colocados em um conjunto de membrana, "Chowdhury disse.

Eles também descobriram que é possível reduzir os poros para tamanhos específicos, variando de 0,3 a 1 nanômetro, para rejeitar várias impurezas, criando peneiras personalizadas em escala angstrom. A equipe chama essa iniciativa geral de direcionar os poros à escala de angstrom - um décimo de nanômetro por design, a iniciativa Dial-an-Angstrom.

O processo PoreDesigner também produz canais de água que permeiam mais rápido do que canais de água biológicos. Isso se deve às paredes dos poros internos mais hidrofóbicas da proteína OmpF redesenhada, evitando que a água interaja com a parede dos poros, permitindo um transporte mais rápido de água.

Existem vários benefícios para o fluxo de trabalho do PoreDesigner e os canais resultantes. Esse processo economiza energia porque esses canais de água são mais seletivos e produtivos. O PoreDesigner também permite tamanhos de poros precisos para processos de biosseparação que são extremamente difíceis, como a separação de glicose e frutose, e sacarose de glicina. Além disso, por causa de sua eficácia em filtrar o sal, O PoreDesigner pode permitir que as comunidades costeiras tenham uma fonte confiável de água.

Além da purificação da água, os pesquisadores estão tentando projetar os poros para rejeitar prótons enquanto apenas permitem a passagem da água. Se for bem sucedido, isso poderia melhorar a imagem de ressonância magnética ponderada por difusão, onde proteínas de transporte projetadas estão começando a ser usadas.

"Quanto maior a vazão de água através dos canais, melhor será a resolução da imagem de ressonância magnética, "Chowdhury disse." Nós mostramos que nossos projetos de OmpF já permeiam a água em uma ordem de magnitude mais rápida do que qualquer canal relatado, portanto, nossos projetos podem ser muito importantes para imagens médicas. "

Chowdhury acrescentou que o PoreDesigner é uma promessa para aplicação em voos espaciais e futuros habitats espaciais para filtrar urina para obter água pura, o que seria muito importante para usar e reciclar fontes de água escassas.

"Ratul ganhou o prêmio de Melhor Artigo em 2018 por este trabalho do Departamento de Engenharia Química e foi recentemente selecionado para a bolsa de estudos da Sociedade de Membranas da América do Norte, "disse Kumar." Esses elogios são bem merecidos, pois Ratul foi a força motriz para este trabalho e realmente possuía todos os aspectos do projeto. "

Outros pesquisadores da Penn State neste projeto são Tingwei Ren, candidato ao doutorado em engenharia química; Matthew Grisewood, assistente de pesquisa em engenharia química; e Jeevan Prabhakar, pesquisador de graduação em engenharia química. Kumar e Maranas co-lideraram a pesquisa. Manish Shankla, doutorando pela UIUC; Karl Decker, assistente de pesquisa na UIUC; e Aleksei Aksimentiev, professor de física da UIUC, também participou da pesquisa.