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類淀粉樣蛋白自組裝膜的高效分子分離及透析應用

發布者:田瀟  發布時間:2019-01-03 17:16:39  瀏覽:

高效膜分離是現代科學技術一直在追尋的目標。透析是膜分離中的一類重要應用。而目前常用到的有機聚合物透析膜往往表現出膜厚、孔隙復雜、擴散速率低等缺點,導致在使用過程中需要較長的透析時間且選擇性不好。對比這些合成材料,自然界普遍存在的生物膜分離具有快速、高效的特點,這樣的生物膜分離往往借助于通道/泵蛋白、S-layer糖蛋白等功能生物大分子的聚集和組裝來實現。然而,在實際應用中,如何快速、低成本的規模化制備(如大面積和高效率)超薄仿生分離膜依然是一個巨大的挑戰。

生物大分子如多肽和蛋白質以β-sheet折疊結構為核心而形成的淀粉樣積聚體(amyloid)是存在于自然界的一類重要的生物高分子組裝結構。在國家自然科學基金委等項目的支持下,陜西師范大學楊鵬課題組先前曾報導過由二硫鍵還原劑Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)快速打開溶菌酶分子內的二硫鍵而解鎖α-螺旋結構,誘導其向更加低能量的β-sheet自發轉變而組裝成的相轉變溶菌酶(phase-transited lysozyme,PTL)納米薄膜,聚集條件溫和可控、速度快、材料和過程成本極大降低(Adv. Mater. 2016, 28, 7414;Biomater. Sci. 2018, 6, 836)。該膜表現出優異的生物相容性、高的界面粘附穩定性、豐富的界面功能基團和組裝形態(Adv. Mater. 2016, 28, 579;Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9331;Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13440;Adv. Mater. 2018, 30, 1802851;Adv. Mater. 2018, 1803377;Adv. Funct. Mater. 2017, 28, 1704476; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 198),從而有望將其應用于分離膜領域。在以上研究基礎上,進一步的研究發現將該蛋白質基納米膜用戊二醛交聯后可用作透析和超濾膜分離。該膜是由蛋白質淀粉樣轉變前期形成的納米級球狀寡聚體在氣液界面聚集而成,而不同寡聚體小球相互聚集之間的縫隙為高效分子和膠體分離提供了天然的納米孔道。膜厚度和孔道直徑可通過改變蛋白質的濃度來調控(圖1)。

圖1. 交聯蛋白質膜的制備及其表征

蛋白質基納米膜可以通過簡便的轉移到商用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)核孔膜(孔徑10微米)上而使用。通過膜對不同分子量聚乙二醇(PEG)的截留率以及膜的BET測試,詳細研究了不同厚度膜的孔徑分布,隨著膜厚度從50增加到250 納米,膜的孔徑從3.2減小到1.8納米,相應的膜的截留分子量從18 kDa降低至1 kDa(圖2)。

圖2. 不同厚度蛋白質膜的孔徑分布及分子截留量。

對于厚度為50納米的膜(孔徑3.2納米),幾乎可以完全截留3納米以上的分子,而分子大小處于2-3納米時,截留率在20-80%;小于2納米的分子可以完全透過。在濃度差驅動下,該膜可以選擇性的分離不同大小的混合染料(甲基藍和甲基橙)以及混合蛋白質(胰島素和肌紅蛋白)。與常用分離膜相比,該納米超薄膜對小于2納米的分子的傳質速率提升1~4個數量級(圖3)。

圖3. 50納米厚的蛋白質膜對不同大小分子的截留率及其對混合染料與混合蛋白質的分離

通過模擬血液透析,發現超薄的納米膜厚度為快速、有效透析毒素提供了便利。如該膜對小分子、中等分子量尿毒素及其蛋白質結合毒素在透析4小時后都有較好的去除效果,單位面積的去除率是其他常用有機透析膜的5~6倍(圖4)。

圖4. 蛋白質膜模擬血液透析對尿毒素的清除

另外,該膜可用作超濾膜,從而在壓力驅動下(例如100 kPa)快速分離不同大小的染料、蛋白質以及納米顆粒(圖5)。

圖5. 壓力驅動下蛋白質膜對混合染料、混合蛋白質及其不同大小金納米顆粒的分離

該膜制備方法簡單,易于操作,有望實現規模化制備。此項研究成果為設計和制備仿生分離膜提供了新思路。

以上工作在線發表于綜合期刊Nature Communications上。論文第一作者為博士生楊發翠,通訊作者是楊鵬教授,陜西師范大學為唯一通訊作者單位。該課題得到了國家自然科學基金委 (No. 51673112, 21875132) 等項目的資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07888-2

Facui Yang, Fei Tao, Chen Li, Lingxiang Gao, Peng Yang*, Self-assembled membrane composed of amyloid-like proteins for efficient size-selective molecular separation and dialysis. Nat. Commun. 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07888-2

課題組簡介:

陜西師范大學化學化工學院楊鵬課題組組建于2012年底,隸屬于應用表面與膠體化學教育部重點實驗室。其主要學術貢獻是基于蛋白質類淀粉樣界面聚集與粘附,發展了一類有望代替聚多巴胺等多酚類表界面交聯沉積的新的表界面粘附和化學設計新體系。已在Nature Commun. (1)、Chem. Rev. (1)、J. Am. Chem. Soc. (1)、Adv. Mater. (4)、Angew. Chem. Int. Ed. (2)、Adv. Funct. Mater. (2)等期刊發表綜述和研究論文五十余篇。