PoreDesigner, un processus de flux de travail informatique entièrement automatisé pour modifier la taille des pores d'une protéine de canal bactérien, est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs de Penn State et de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Ce processus permet l'assemblage des protéines dans des membranes artificielles pour une séparation précise à l'échelle sub-nanométrique des solutés de différence de taille marginale, ce qui peut améliorer la purification de l'eau et les bioséparations.

PoreDesigner fournit une procédure de conception pour régler la taille des pores de la protéine de canal OmpF, trouvé dans la membrane externe des cellules bactériennes d'E. coli. Les membranes biologiques sont un modèle idéal pour les membranes synthétiques, parce que leurs pores sont tous exactement de la même taille, qui offre une productivité élevée combinée à une sélectivité élevée - seules les molécules de la taille et de la forme souhaitées passent. Les membranes biologiques possèdent divers canaux protéiques qui transportent l'eau, ions et petites molécules entre les cellules. Ils bloquent également les impuretés qui ne peuvent pas passer à travers les pores.

"Il est difficile de créer uniformément distribué, tailles de pores égales dans les membranes artificielles comme celles en polymère utilisées dans l'industrie, mais si nous pouvions, l'eau passerait plus vite et, à la fois, bloquer les molécules plus grosses que les pores, " dit Ratul Chowdhury, doctorant en génie chimique, co-dirigé par Manish Kumar, professeur agrégé de génie chimique et Costas Maranas, Professeur Donald B. Broughton de génie chimique. "Les pores naturels avec lesquels nous avons commencé étaient plus grands qu'un nanomètre. Nous les avons conçus pour être de taille subnanométrique, qui sont plus utiles pour séparer certaines molécules commercialement importantes.

Concevoir des tailles de pores avec une précision de l'ordre de 1 nanomètre ou moins est un problème pour les membranes artificielles. À cette taille ou plus petite, de légères variations peuvent sembler insignifiantes. Cependant, rejeter totalement certaines impuretés comme le sel, les pores doivent être de l'ordre de 0,3 à 0,4 nanomètres.

"La protéine OmpF a été choisie car il s'agit d'une molécule structurellement plus stable que les molécules d'aquaporine plus largement étudiées, donc l'hypothèse était que si nous modifions la molécule OmpF d'origine pour réduire la taille de ses pores, elle conserverait toujours sa stabilité structurelle, " a déclaré Chowdhury. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Communication Nature .

La taille des pores de l'OmpF est de 11 angströms, et l'équipe de recherche a réduit la taille des pores en remplissant systématiquement les pores d'hydrophobe, ou hydrofuge, acides aminés.

« À partir d'expériences, nous avons découvert que nous pouvions rejeter efficacement le sel avec ces protéines lorsqu'elles étaient placées dans un assemblage membranaire, " a déclaré Chowdhury.

Ils ont également découvert qu'il est possible de réduire les pores à des tailles spécifiques, allant de 0,3 à 1 nanomètre, rejeter diverses impuretés, créer des tamis personnalisés à l'échelle de l'angström. L'équipe appelle cette initiative globale de ciblage des pores à l'échelle de l'angström (un dixième de nanomètre) par conception, l'initiative Dial-an-Angstrom.

Le processus PoreDesigner produit également des canaux d'eau qui s'infiltrent plus rapidement que les canaux d'eau biologiques. Cela est dû aux parois des pores internes plus hydrophobes de la protéine OmpF redessinée empêchant l'eau d'interagir avec la paroi des pores, permettant un transport plus rapide de l'eau.

Le workflow PoreDesigner et les canaux qui en résultent présentent de nombreux avantages. Ce processus permet d'économiser de l'énergie car ces canaux d'eau sont plus sélectifs et productifs. Le PoreDesigner permet également des tailles de pores précises pour les processus de bioséparation qui sont extrêmement difficiles, comme la séparation du glucose et du fructose, et le saccharose de la glycine. En outre, en raison de son efficacité à filtrer le sel, PoreDesigner pourrait potentiellement permettre aux communautés côtières de disposer d'une source d'eau fiable.

Au-delà de la purification de l'eau, les chercheurs essaient de concevoir les pores pour rejeter les protons tout en laissant passer l'eau. En cas de succès, cela pourrait améliorer l'imagerie par résonance magnétique pondérée en diffusion où les protéines de transport modifiées commencent à être utilisées.

"Plus le débit d'eau dans les canaux est élevé, meilleure est la résolution de l'image IRM, " a déclaré Chowdhury. " Nous avons montré que nos conceptions OmpF imprègnent déjà l'eau à un taux d'un ordre de grandeur plus rapide que n'importe quel canal signalé, nos conceptions pourraient donc être très importantes pour l'imagerie médicale."

Chowdhury a ajouté que PoreDesigner est prometteur pour une application dans les vols spatiaux et les futurs habitats spatiaux pour filtrer l'urine afin d'obtenir de l'eau pure, ce qui serait très important pour l'utilisation et le recyclage des réserves d'eau rares.

"Ratul a remporté le prix du meilleur article en 2018 pour ce travail du département de génie chimique et a récemment été sélectionné pour la bourse étudiante de la North American Membrane Society, ", a déclaré Kumar. "Ces distinctions sont bien méritées car Ratul était la force motrice de ce travail et s'est vraiment approprié tous les aspects du projet."

D'autres chercheurs de Penn State sur ce projet sont Tingwei Ren, doctorant en génie chimique; Matthieu Grisewood, assistant de recherche en génie chimique; et Jeevan Prabhakar, chercheur de premier cycle en génie chimique. Kumar et Maranas ont codirigé la recherche. Manish Shankla, doctorant à l'UIUC; Karl Decker, assistant de recherche à l'UIUC; et Alexeï Aksimentiev, professeur de physique à l'UIUC, également participé à la recherche.