Что такое аквапорины?

Исследование биохимических процессов благодаря наличию все более новых инструментальных методов анализа в последнее время набирает все больше и больше оборотов. Аквапорины - это мембранные протеины, которые формируют транспортные поры в клеточных мембранах. Простыми словами, оболочки всех живых организмов пронизаны трубочками белков, которые способны затягивать в клетку только чистую воду (в некоторых случаях глицерин, углекислоту, аммиак).

Открытие аквапоринов произошло в 90-тые годы XX века, а в 2003 году исследователи в области молекулярной биологии и биохимии Петер Эгрэ и Родерик МакКинон получили за их открытие Нобелевскую премию.

Важность полученных данных для науки глобальна. Сегодня изучены 13 видов аквапоринов млекопитающих (в т.ч и человека), шесть из которых локализуются в почках. В сфере здравоохранения они дали возможность глубже изучить причины нарушения обмена веществ. Например:

• фрагмент Аквапорина-1 является частью антигена Колтона (резус-фактора) в группе крови;
• Аквапорин-2 это белок собирательных трубочек почек, который регулируется гормоном вазопрессином, нарушения в его гене способны вызвать редкое заболевание нефрогенный несахарный диабет;
• MIP или аквапорин-0 - является одной из составляющих волокон хрусталика, его нарушение может привести к врожденной катаракте, помутнению хрусталика и прочим заболеваниям глаз.

В целом важность этого белка для изучения человека, нас, в данном случае, интересует меньше, чем его потенциал в сфере очистки воды.

Аквапорины и прямой осмос

Сегодня самой распространенной и достаточно эффективной технологией опреснения морской и очистки питьевой воды является обратный осмос.

Его принцип действия был частично унаследован у природного процесса осмоса. Во всех живых клетках осмос предназначен для поддержания их формы. Клеточные мембраны способны всасывать воду внутрь, если солесодержание среды вокруг клетки ниже (раствор гипотонический), и выделять ее (сжиматься), если вокруг жидкость с более высоким солесодержанием (гипертонический раствор), соответственно, клетка остается в стабильном состоянии, если концентрация солей (осмотическое давление) вокруг и внутри нее идентичны (раствор вокруг изотоничный). Таким образом регулируется внутриклеточный водный обмен.

Обратный осмос получил такое название потому, что в данном случае все наоборот: под высоким давлением происходит разделение воды на обессоленный пермеат с одной стороны мембраны и концентрат, где повышена концентрация примесей, с другой стороны. Сегодня благодаря обратноосмотическим мембранам получается: чистая вода на опреснительных станциях, промышленных предприятиях, электростанциях, большинство марок бутилированной и даже питьевая вода дома. Основными проблемами обратного осмоса является необходимость в высоком давлении, что требует больших затрат электроэнергии, сильный фоулинг (загрязнение) мембранных элементов и относительно частая их замена (раз в 3-5 лет).

Аквапорины - это следующая ступень развития водоочистных технологий, которая позволяет усовершенствовать процессы, сделав их более экономичными, поскольку они помогают клеточной мембране осуществлять транспорт воды, и, соответственно, вернуться к прямому осмосу, который позволяет работать при меньшем давлении благодаря селективности этих транспортных белков.

Как производят фильтрационные элементы из аквапоринов?

Запатентированные методы получения мембран с аквапорином предусматривают нанесение плоской липидной двухслойной мембраны с встроенными аквапоринами на пористую подложку, которая может быть двухслойной полимерной мембраной, полисульфоном, оксидом алюминия, слюдой, целлюлозой или другой гидрофильной поверхностью.

Кто производит аквапорины?

Первопроходцем в производстве мембранных элементов на базе аквапоринов стала одноименная датская компания Aqiaporin®. Биоподобные мембранные элементы Aquaporin Inside® используются для процессов прямого (стал возможен благодаря аквапоринам) и обратного осмоса.

Продукты с технологией Aquaporin Inside® включают в себя несколько типов мембран.

• Мембранные элементы для питьевой воды — производятся в стандартных размерах 1812-100, 1812-150, 3012-500, 4040.
• Половолоконные элементы для прямого осмоса — рекомендованы для очистки промышленных сточных вод для повторного использования, и в целом для воды любых промышленных целей.

Отдельно стоит выделить бытовые мембранные фильтры, которые вышли на рынок лишь в 2020 году, и являются самыми современными и продуктивными решениями в сфере бытовой очистки воды обратным осмосом. Фильтры компактны, и без бака и помпы обеспечивают до 3 литров чистой воды в час. Стоимость такой системы 780-900$. Сегодня они представлены только на рынке Дании, США, Британии, Индии и Балканских стран.ры

Важно отметить, что компания сотрудничает с NASA в сфере разработки технологий воды для космических суден, капсул и прочего оборудования.

В Украине об аквапоринах для очистки воды пока почти ничего не слышно. Тем не менее некоторые проекты есть. Например, в 2015 году на конкурсе стартапов Sykorsky Challenge победил проект по опреснению воды посредством применения таких мембран.