Membranes biologiques, tels que les "parois" de la plupart des types de cellules vivantes, essentiellement constitués d'une double couche de lipides, ou "bicouche lipidique, " qui forme la structure, et une variété de protéines intégrées et attachées avec des fonctions hautement spécialisées, y compris des protéines qui transportent rapidement et sélectivement des ions et des molécules à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule.

Les membranes artificielles sont utilisées pour les procédés industriels à petite et à grande échelle depuis le milieu du XXe siècle, pourtant, leur inefficacité peut rendre certains processus relativement lents et coûteux. Les scientifiques ont longtemps cherché à développer des membranes synthétiques qui pourraient correspondre à la sélectivité et au transport à grande vitesse offerts par leurs homologues naturels.

Aujourd'hui, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley a conçu et, à l'aide de la diffusion des neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), a également caractérisé avec précision un nouveau polymère aussi efficace que les protéines naturelles pour transporter les protons à travers une membrane. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans La nature .

Cette étape majeure a le potentiel de transformer un large éventail de technologies, comme rendre les batteries et les systèmes de purification d'eau plus efficaces et moins coûteux, et produire des biocarburants et des produits pharmaceutiques améliorés de manière plus rentable.

"Nous avons inséré nos nouveaux polymères dans des bicouches lipidiques, et ils transportaient des protons aussi bien que des protéines naturelles, " dit Ting Xu, professeur à l'UC Berkeley et chercheur à la faculté des sciences des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory.

« Les polymères sont très difficiles à imager et à étudier en raison du contraste limité entre leur densité et celle des lipides. Nous avons donc amélioré le contraste en deutérant sélectivement les lipides dans les échantillons, ce qui signifie que nous avons remplacé certains de leurs atomes d'hydrogène par des atomes de deutérium, ce qui les neutrons sont particulièrement efficaces pour se différencier des atomes d'hydrogène. Cela nous a permis d'utiliser la diffusion des neutrons à Oak Ridge pour mieux « voir » la taille et la forme des polymères individuels, " a ajouté Xu.

Travailler au réacteur isotopique à haut flux (HFIR) de l'ORNL, les chercheurs ont utilisé la ligne de faisceau de diffusion de neutrons aux petits angles (GP-SANS) pour mener leurs expériences.

"L'instrument GP-SANS a permis à l'équipe dirigée par des chercheurs de l'UC Berkeley de déterminer que les polymères étaient des structures compactes dispersées au hasard dans la membrane, par opposition à agglutinées, " a déclaré William T. Heller, le chef d'équipe SANS/Spin Echo à l'ORNL. "Nous avons choisi l'instrument GP-SANS car il est idéal pour la taille du polymère et son faisceau intense est excellent pour étudier des échantillons qui ne se diffusent pas fortement."

Xu et ses collaborateurs ont dit que les quatre monomères, les principaux composants du nouveau polymère, peuvent être regroupés de différentes manières pour produire des imitateurs fonctionnels de protéines. "Ce qui rend notre nouvelle technique si prometteuse, c'est qu'elle est évolutive, et les connaissances pour le faire sont facilement disponibles, " a déclaré Xu. " Compte tenu du grand nombre de monomères disponibles et des progrès récents de la chimie des polymères, les possibilités de marier les domaines synthétique et biologique sont presque illimitées."