싱가포르 국립대학(National University of Singapore's, NUS) 생물과학부의 과학자들이 프랑스 과학연구센터(French Centre for Scientific Research, CNRS)와 공동으로 이끈 한 팀은 스스로 기공 구조로 조립할 수 있는 특별한 단백질 모방체를 성공적으로 합성했다.

지질막에 통합될 때, 기공은 염분(이온)을 거부하면서 막을 가로질러 물을 선택적으로 운반할 수 있도록 한다. ‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’로 알려진 이러한 단백질 모방체(protein-mimics)는 현재 산업용수 정제 방법의 에너지 효율성을 개선하는 데 사용될 수 있는 완전히 새로운 종류의 인공수로(artificial water channels, AWC)를 나타낸다.

현재 정수처리 방법에는 역삼투압(RO) 및 막 증발(membrane distillation) 기술이 포함된다. 그러나 RO는 염분 및 기타 오염물질을 제거하기 위해 바닷물 또는 폐수를 일련의 반투과성 막을 통과시키기 위해 높은 압력이 필요하기 때문에 에너지 집약적인 공정이다.

기후변화와 담수에 대한 증가하는 수요를 고려하여 대규모 담수화 목적을 위해 보다 에너지 효율적이고 물 선택적인 막(membrane)을 개발하려는 자극이 있다. 이 발명은 이러한 노력에 탁월한 기여를 한다는 것을 보여준다.

이러한 ‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’에 의해 형성된 기공의 상대적으로 높은 투수성은 물 정수를 위한 전반적인 에너지 요구량이 잠재적으로 감소될 수 있음을 시사한다.

기존 막 기술의 한계 해결

이 분야의 연구는 주로 물분자가 하나의 파일로 통과할 수 있도록 하는 기공을 포함하는 자연적으로 발생하는 단백질인 아쿠아포린(aquaporin)으로 막을 만드는 것에 초점을 맞추고 있다.

그것들은 ‘수로관(water channel)’으로 알려져 있고 미생물, 식물 및 동물 세포를 포함한 모든 살아있는 세포의 세포막에서 발견될 수 있다. 아쿠아포린의 복잡한 구조 때문에 정수막에 사용하기 위해 충분한 양의 이 부피가 큰 단백질을 합성하는 것은 비싸고 시간이 많이 걸리는 과정으로 남아 있다.

프라카쉬 쿠마르(Prakash Kumar) 교수가 이끄는 싱가포르 국립대학(NUS) 과학자팀은 2023년 5월 8일자 과학저널 『켐(Chem)』에 발표한 논문에서 공극을 가지고 막 횡단 채널(transmembrane channel)과 같은 구조를 생성하기 위해 자가 조립할 수 있는 더 간단한 분자 구성 요소의 개발에 대한 돌파구를 설명했다.

이러한 구조는 아쿠아포린의 기능을 모방하여 염분 및 기타 오염물질이 거부되는 동안 물 분자만 막을 통과하도록 한다. 개별 ‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’는 또한 10개의 아미노산 잔기(amino acid-residues long) 길이로 크기가 훨씬 작기 때문에 아쿠아포린 또는 다른 클래스의 인공수로(AWC)에 비해 수정, 합성 및 정제가 더 쉽다.

작동 원리

폴다머(foldamer)는 본질적으로 양친매성(amphiphilic)이다. 즉, 자석이 서로 가까이 있을 때 공에 함께 뭉치는 경향이 있는 것과 유사하게 더 복잡한 구조로 조립할 수 있는 서로 다른 전하를 가진다. 생성된 복합 또는 4차 구조는 소수성 및 정전기 상호작용으로 알려진 강한 결합에 의해 더욱 안정화되는 기공과 같은 수로를 포함한다.

소수성 성분은 지질막( lipid membrane)에 삽입할 수 있도록 외부에 군집되어 있다. 기공의 내부(루멘, lumen)는 친수성이 더 강하여 이온이 통과하는 것을 거부하면서 물분자가 막을 가로질러 이동할 수 있다. 그리고 이것은 실험실 테스트에서 관찰된 지질막 전반의 선택적 물 투과성에 책임이 있다.

과학자들은 ‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’가 천연 포린(natural porin)과 유사한 구조와 기능적으로 유사하다는 것을 발견했고, 이는 이들이 정수를 위한 AWC(인공수로) 막 제조에 실행 가능한 잠재적인 후보 물질이 된다는 것을 발견했다.

안정성과 내열성 향상

NUS 연구원들이 개발한 폴다머는 또한 다른 AWC(인공수로)에 비해 더 강력한 것으로 입증되었다.

정상 단백질은 펩타이드 결합(peptide bond)에 의해 결합된 아미노산으로 이루어져 있는데, 이러한 펩타이드 결합은 단백질을 소화시키는 미생물 효소에 의해 절단되기 쉬우며, 이러한 미생물은 가공되지 않은 물에 존재한다.

그들의 연구에서, NUS 과학자들은 펩타이드 결합을 요소 결합으로 대체했고, 이것은 ‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’를 효소적 그리고 미생물적인 분해에 덜 민감하게 만든다.

기공을 자가 조립하는 최초의 단백질 모방 제품

‘올리고우레아 폴다머(oligourea foldamers)’의 개발은 물분자에 대한 높은 공극률과 선택성을 가진 정밀한 나노 구조로 자가 조립할 수 있는 짧은 분자 사슬을 사용하여 AWC를 만드는 최초의 발표된 시도이다.

라카쉬 쿠마르(Prakash Kumar) 교수는 “이 새로운 종류의 AWC의 발견은 개별 폴다머 분자가 더 큰 분자 구조 내에서 기공이 발견되는 다른 AWC와 달리 기공을 포함하지 않기 때문에 중요하다”라면서 “우리의 새로운 설계에서 물 선택적 기공은 개별 단위가 자체 조립할 때만 나타나므로 단백질 분해에 대한 내성과 결합된 높은 물 투과성은 이러한 폴다머를 산업 정수 응용에 탁월한 후보 물질로 만든다”고 강조했다.

다음 연구단계

초기 단계에서 과학자팀은 폴다머를 테스트 막에 적용하여 자체 조립 분자의 수질 정화 기능을 시연했다.

다음 연구 단계에서는 폴다머 생산을 최적화하고 더 큰 막에 적용한 후 산업용 정수시설에서 효율성을 시험할 계획이다.

[원문보기]

NUS scientists develop a new class of artificial water channels for more efficient industrial water purification

These self-assembling, precise and complex nanostructures can help to purify water more efficiently

A team led by scientists from the National University of Singapore's (NUS) Department of Biological Sciences in collaboration with the French Centre for Scientific Research (CNRS) has successfully synthesised a special protein-mimic that can self-assemble into a pore structure. 

When incorporated into a lipid membrane, the pores permit selective transport of water across the membrane while rejecting salt (ions). These protein-mimics, known as ‘oligourea foldamers’, represent an entirely new class of artificial water channels (AWC) that can be used to improve the energy-efficiency of current methods of industrial water purification.

Current methods of water purification involve the use of reverse osmosis and membrane distillation technologies. Reverse osmosis, however, is a highly energy-intensive process as high pressures are needed to pass seawater or wastewater through a series of semi-permeable membranes to remove salts and other pollutants. 

In light of climate change and the growing demand for fresh water, there is an impetus to develop more energy-efficient, water-selective membranes for large-scale desalination purposes. This invention represents an excellent contribution to these efforts. 

The relatively high water permeability of the pores formed by these oligourea foldamers suggests that overall energy requirement for water purification can potentially be reduced.

Addressing the limitations of conventional membrane technologies

Research in this field has largely focused on fabricating membranes with aquaporins, which are naturally-occurring proteins containing pores that allow water molecules to pass through in a single file. 

They are known as ‘water channels’ and can be found in the cell membranes of all living cells including microbes, plant and animal cells. Due to the complex structure of aquaporin, synthesising sufficient quantities of this bulky protein for use in water purification membranes remains an expensive and time-consuming process.

In a paper published in the scientific journal Chem on 8 May 2023, a team of NUS scientists led by Professor Prakash Kumar described a breakthrough in the development of a simpler molecular component that can self-assemble to generate transmembrane channel-like structures with a pore. 

These structures mimic the functions of aquaporin, allowing only water molecules to cross the membrane while salts and other pollutants are rejected. The individual oligourea foldamers are also much smaller in size at just 10 amino acid-residues long - which makes them easier to modify, synthesise, and purify compared to aquaporin or other classes of AWC.

How it works

The foldamers are amphiphilic in nature, which means that they possess different charges which allow them to assemble into more complex structures, similar to how magnets tend to clump together in a ball when they are in close proximity with each other. 

The resulting complex, or quaternary, structures contain pore-like water channels which are further stabilised by strong bonds known as hydrophobic and electrostatic interactions.

The hydrophobic components are clustered on the exterior that allows insertion into lipid membranes. The interior (lumen) of the pore is more hydrophilic, which allows water molecules to move across the membrane while rejecting ions from passing through. And this is responsible for the selective water permeability across lipid membranes observed in lab tests. 

The scientists discovered that the oligourea foldamers were similar in function to natural porin-like structures, which makes them viable potential candidates for the fabrication of AWC membranes for water purification.

Greater stability and resistance to degradation

The foldamers developed by the NUS researchers were also demonstrated to be more robust compared to other AWCs.

Normal proteins are made up of amino acids joined together by peptide bonds. These peptide bonds are vulnerable to be cut by microbial enzymes that digest proteins, and such microbes exist in unprocessed water. 

In their research, NUS scientists replaced the peptide bonds with urea bonds, which makes the oligourea foldamers less susceptible to enzymatic and microbial degradation.

First-of-its-kind protein-mimics that self-assemble into pores

The development of the oligourea foldamers marks the first published attempt to create AWCs using short molecular chains that can self-assemble into precise nanostructures with high porosity and selectivity for water molecules.

Prof Kumar, who has a joint appointment with the NUS Environment Research Institute, said, “The discovery of this new class of artificial water channels is significant because the individual foldamer molecules do not contain any pores, unlike other AWCs where the pores are found within their larger molecular structure. In our novel design, the water-selective pores only emerge when the individual units self-assemble. The high-water permeability coupled with resistance to proteolytic degradation makes these foldamers excellent candidates for industrial water purification applications.”

Next steps

In the initial phase, the team of scientists applied the foldamers to a test membrane to demonstrate the water purification capabilities of the self-assembling molecules. 

For the next phase of research, the team plans to optimise the production of the foldamers and apply them to a larger membrane, before trialling its efficiency in an industrial water purification facility.  

[출처=싱가포르 국립대학(NUS)(https://news.nus.edu.sg/nus-scientists-develop-a-new-class-of-artificial-water-channels/) / 2023년 8월 2일]

[논문출처=과학저널 『켐(Chem)』(https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929423001870) / 2023년 5월 8일자]

[번역 = 배철민 편집국장]