陕师大杨鹏教授在类淀粉样蛋白自组装膜的高效分子分离及透析应用领域取得新进展
高效膜分离是现代科学技术一直在追寻的目标。透析是膜分离中的一类重要应用。而目前常用到的有机聚合物透析膜往往表现出膜厚、孔隙复杂、扩散速率低等缺点，导致在使用过程中需要较长的透析时间且选择性不好。对比这些合成材料，自然界普遍存在的生物膜分离具有快速、高效的特点，这样的生物膜分离往往借助于通道/泵蛋白、S-layer糖蛋白等功能生物大分子的聚集和组装来实现。然而，在实际应用中，如何快速、低成本的规模化制备（如大面积和高效率）超薄仿生分离膜依然是一个巨大的挑战。
生物大分子如多肽和蛋白质以β-sheet折叠结构为核心而形成的淀粉样积聚体（amyloid）是存在于自然界的一类重要的生物高分子组装结构。在国家自然科学基金委等项目的支持下，陕西师范大学杨鹏教授课题组先前曾报导过由二硫键还原剂Tris(2-carboxyethyl)phosphine (TCEP)快速打开溶菌酶分子内的二硫键而解锁α-螺旋结构，诱导其向更加低能量的β-sheet自发转变而组装成的相转变溶菌酶（phase-transited lysozyme，PTL）纳米薄膜，聚集条件温和可控、速度快、材料和过程成本极大降低（Adv. Mater. 2016, 28, 7414；Biomater. Sci. 2018, 6, 836）。该膜表现出优异的生物相容性、高的界面粘附稳定性、丰富的界面功能基团和组装形态（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），从而有望将其应用于分离膜领域。在以上研究基础上，进一步的研究发现将该蛋白质基纳米膜用戊二醛交联后可用作透析和超滤膜分离。该膜是由蛋白质淀粉样转变前期形成的纳米级球状寡聚体在气液界面聚集而成，而不同寡聚体小球相互聚集之间的缝隙为高效分子和胶体分离提供了天然的纳米孔道。膜厚度和孔道直径可通过改变蛋白质的浓度来调控（图1）。
图1. 交联蛋白质膜的制备及其表征。
蛋白质基纳米膜可以通过简便的转移到商用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）核孔膜（孔径10微米）上而使用。通过膜对不同分子量聚乙二醇（PEG）的截留率以及膜的BET测试，详细研究了不同厚度膜的孔径分布，随着膜厚度从50增加到250 纳米，膜的孔径从3.2减小到1.8纳米，相应的膜的截留分子量从18 kDa降低至1 kDa（图2）。
图2. 不同厚度蛋白质膜的孔径分布及分子截留量。
对于厚度为50纳米的膜（孔径3.2纳米），几乎可以完全截留3纳米以上的分子，而分子大小处于2-3纳米时，截留率在20-80%；小于2纳米的分子可以完全透过。在浓度差驱动下，该膜可以选择性的分离不同大小的混合染料（甲基蓝和甲基橙）以及混合蛋白质（胰岛素和肌红蛋白）。与常用分离膜相比，该纳米超薄膜对小于2纳米的分子的传质速率提升1~4个数量级（图3）。
图3. 50纳米厚的蛋白质膜对不同大小分子的截留率及其对混合染料与混合蛋白质的分离。
通过模拟血液透析，发现超薄的纳米膜厚度为快速、有效透析毒素提供了便利。如该膜对小分子、中等分子量尿毒素及其蛋白质结合毒素在透析4小时后都有较好的去除效果，单位面积的去除率是其他常用有机透析膜的5~6倍（图4）。
图4. 蛋白质膜模拟血液透析对尿毒素的清除。
另外，该膜可用作超滤膜，从而在压力驱动下（例如100 kPa）快速分离不同大小的染料、蛋白质以及纳米颗粒（图5）。
图5. 压力驱动下蛋白质膜对混合染料、混合蛋白质及其不同大小金纳米颗粒的分离。
该膜制备方法简单，易于操作，有望实现规模化制备。此项研究成果为设计和制备仿生分离膜提供了新思路。
以上工作在线发表于综合期刊Nature Communications上。论文第一作者为博士生杨发翠，通讯作者是杨鹏教授，陕西师范大学为唯一通讯作者单位。该课题得到了国家自然科学基金委 (No. 51673112, 21875132) 等项目的资助。
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
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-018-07888-2
课题组简介：
陕西师范大学化学化工学院杨鹏教授课题组组建于2012年底，隶属于应用表面与胶体化学教育部重点实验室。其主要学术贡献是基于蛋白质类淀粉样界面聚集与粘附，发展了一类有望代替聚多巴胺等多酚类表界面交联沉积的新的表界面粘附和化学设计新体系。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)等期刊发表综述和研究论文五十余篇。
相关进展
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