JP2014030823A - 水を濾過する膜 - Google Patents

Abstract

【課題】機能性アクアポリンを組み込んだ脂質二分子層を含む新規の水膜が開示される。
【解決手段】脂質二分子層は親水性または疎水性支持体層を含むサンドィッチ構造体内に
配置される。さらに水精製装置／システムが開示され、機能性アクアポリンを含む膜を含
む逆浸透濾過装置を含む。水精製方法および膜を調製する方法も開示される。さらに、本
発明は、新規の、孔が形成された疎水性重合体膜を提供し、膜には導入されるアクアポリ
ン以外の他の膜貫通タンパク質を有する脂質二分子層を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、純水および／またはグリセロールを濾過するのに適した機能化アクアポリン
チャンネルまたは四量体を含む新規の膜、そのような膜を含む濾過装置／精製システム、
ならびに超純水の製造および水性組成物からの過剰な水の抽出のために同様のものを使用
する方法に関する。また、本発明は新規の疎水性重合体フィルムに関する。

人間および/または動物が摂取するのに適した精製水を得るために天然のおよび汚染さ
れた水源を浄化する様々な水処理システムおよび方法がこれまで開発されてきた。さらに
、半導体工業および製薬工業における超純水に対する需要は高い。超純水の生産は水源に
対してより特化したフィルタおよび化学的処理を必要とする。膜濾過、イオン交換体、サ
ブミクロン粒子フィルタまたはナノフィルタ、紫外線およびオゾン処理など、多くの技術
が使用される。生産された水は非常に純粋であり、塩、有機化合物、酸素などの溶解した
気体、浮遊物、およびウイルスやバクテリアなどの微生物を含まないか、または非常に低
濃度で含む。しかしながら、半導体産業における継続的な小型化などの要因のために、超
純水に対する仕様はより厳しくなっている。

従来、水は様々な利用可能な水処理装置を通じて精製または処理され、該装置は共有の
および使用時の適用の双方に関して設計され、例えば以下の技術に基づく：有機物除去の
ための活性炭：紫外線消毒:硬度除去(水の軟水化)のためのイオン交換、および逆浸透（
ＲＯ）またはナノ濾過（ＮＦ）などの膜の脱塩。しかしながら、ナノ濾過は水処理技術の
分野では比較的新しい。ＮＦ膜は、水中に存在する硬度の原因となる二価のイオンを保持
することによって、軟水を作り出す。ＮＦ膜は、ナトリウムや塩化物などの一価のイオン
を高い割合で通過させ、一方で二価のイオンを高い割合で保持する。ＲＯ膜を通して水を
輸送するのに必要な中程度から高い圧力を必要とする浸透圧を生成するのは一価のイオン
である。したがって、水圧による駆動力が１価のイオンに由来する浸透圧の影響を克服す
る必要がないので、ナノフィルタ膜は、膜を通して水を輸送するのに非常に少ない圧力を
要求する。概して言えば、居住用および商業用水処理用途で使用されるＲＯ膜は、およそ
９８％までの溶解固形物をすべて除去し、一方でナノ濾過膜は二価イオン（硬度成分：カ
ルシウムおよびマグネシウム）をおよそ９０％まで、および一価イオン（ナトリウム塩化
物）をおよそ５０％まで除去する。

膜要素(例えば:ＲＯまたはＮＦ)を使用する脱塩装置は、水が要素を出るときに、常に
水の二つの流れを生成する:脱塩された生産水(膜を通過したもの)、および不用な塩水(膜
表面を横切って流れたもの）。この不用の塩水流は、塩類および無機物の膜表面における
蓄積および汚染を防ぐため、膜からそれらを洗い流すのに必要である。もしも供給水中の
塩類および無機物が膜に連続的に付着する場合、溶解した物質は沈殿し、および固体膜を
形成する可能性があり、膜表面を汚染する。加えて、コロイド状および粒子状の不純物も
膜表面に付着して汚染の原因となる可能性がある。多くの水性不純物で、もしも膜が不可
逆的に覆われ、または汚染される場合、それを洗浄することはできず、交換する必要があ
る。膜プロセスのこの特性は、特に、典型的には小型であり、可能な限り経済的に作られ
た水処理システムを使用する場所（ＰＯＵ）での排水の低減において重要な問題を提起す
る。

イオン交換装置も「硬水」を軟化するのに使用される。イオン交換水軟化システムの問
題は、いわゆる「軟水」を作るため、それが水の硬度成分（カルシウムおよびマグネシウ
ムイオン）をナトリウムイオンと交換することによって除去することである。イオン交換
媒体の再生が行なわれるとき、ナトリウム、塩化物、カルシウムおよびマグネシウムイオ
ンが濃縮された水流は、下水道に入り、環境の廃棄物処理問題の原因となる。そのような
タイプの水精製システムの例は、米国特許第５７４１４１６号明細書、「ｗａｔｅｒ ｐ
ｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｉｎｇ ｐｌｕｒａｌ ｐａｉｒｓ ｏ
ｆ ｆｉｌｔｅｒｓ ａｎｄ ａｎ ｏｚｏｎｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｃｈａｍｂｅｒ」に
記述され、そのような水流中の有機不純物を酸化し、殆どのバクテリア、ウイルスおよび
他の微生物を破壊するのに効果的である水精製システムを開示する。一価カチオンに選択
性を有する透析膜を含むシステムも、国際公開第２００４／０９９０８８号パンフレット
に開示されている。

このように、通常の家庭用の、同様に先端研究用、工業用および製薬用の双方において
、化学的、生物学的および／または放射線学的不純物で汚染されたか、または汚染された
可能性がある水を処理するための水精製システムに対する継続的な必要性が存在する。

水の汚染または水の汚染のおそれは、例えば船上または僻村またはキャンプなど、非常
に局所的な性質を持つことが多いので、実際の汚染場所または汚染の可能性がある場所で
迅速かつ容易に配置され得る固定型または携帯型の水精製システムに対する要求が存在す
る。特に関連するのは、人間の摂取に適した処理された水を製造するために、実際に汚染
されたまたは汚染されたおそれがある供給水、例えば海水、から有効に汚染物質を除去す
ることができるシステムである。

生体膜を通じてＨ_２Ｏ分子を選択的に輸送する性能によって特徴付けられる水輸送タン
パク質アクアポリンが発見され、これらのタンパク質を組み込んだ人工的な水膜（ｗａｔ
ｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ）の発明に興味が持たれた。米国特許出願第２００４００４９
２３０号明細書「Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」は、水精製を可能にする
ため水輸送タンパク質がどのように膜に埋め込まれるか記述することを目的としている。
記述された好ましい形態は、従来のフィルターディスクの形態を有する。そのようなディ
スクを作製するため、厚み５ｎｍの合成三元ブロック共重合体およびタンパク質の単分子
層はラングミュア−ブロジェットトラフを用いて２５ｍｍの市販の超濾過ディスク表面に
累積される。ディスク上の単分子層はその後紫外光で架橋され重合体となって耐久性を高
める。装置は、加圧した源水に膜を通過させるチャンバ内に取り付けることによって評価
されてよい。しかしながら、合成三元ブロック共重合体をどのように選択すべきか指針は
なく、埋め込まれたアクアポリンの実際の機能を支持する如何なるデータも存在しない。

脂質二分子層ベシクル内部にアクアポリンタンパク質を送り込み、これらの膜を多孔質
支持体上にキャストすることにより作られる水精製技術が示唆されている。Ｊａｍｅｓ
Ｒ．Ｓｗａｒｔｚのホームページ：ｈｔｔｐ：／／ｃｈｅｍｅｎｑ．ｓｔａｎｆｏｒｄ．
ｅｄｕ／０１Ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ／０３Ｆａｃｕｌｔｙ／Ｓｗａ
ｒｔｚ／ｓｗａｒｔｚ．ｈｔｍｌ．を参照されたい。

本発明は、高純度(例えば１００％)で水を浄化することができる膜に組み込まれたアク
アポリンを含む工業用水濾過膜および装置を開発することを主な目的とする。今日この課
題を実行可能な既知の技術またはフィルタは存在しない。

米国特許第５７４１４１６号明細書 国際公開第２００４／０９９０８８号パンフレット 米国特許出願第２００４００４９２３０号明細書

本発明は一つの態様において水を濾過する膜に関し、該膜は脂質ベシクル中に再構成さ
れ、ラングミュア−ブロジェット法などの方法を用いて支持体層に変換され水濾過膜を形
成したアクアポリン水輸送タンパク質を使用する。

本発明の水膜の利点として、脱塩用化学物質および可搬式脱塩フィルタの設備（水と塩
を分離することができる「コーヒーフィルタ」のような装置）を必要とせずに、海水（地
球の水の９７−９８％が海水である）を効率的に脱塩すること、半導体産業のために効率
的に水を精製すること、家庭用水／飲料水を頑強に精製すること、および、例えば第３世
界各国において、電気を使わずに水を精製すること、が挙げられる。

したがって、本発明は一つの態様において、機能性アクアポリン水チャンネルを含む少
なくとも一つの脂質二分子層によって分離された、少なくとも二つの透過性支持体層を有
するサンドイッチ構造を含む水膜に関する。この方法において、透過性または多孔質の支
持体は、水分子が支持体を通過して、支持体層の間に累積された少なくとも一つの脂質二
分子層に到達することを可能にする。分散された機能性アクアポリンチャンネルを含む脂
質二分子層は、反対側の多孔質支持体層へと水のみを濾過するか、またはアクアポリンが
ＧＬｐＦチャンネルである場合には、グリセロールも濾過し、結果的に純水で構成される
濾過物を与える。好ましくは、この濾過された水は高度に精製された水である超純水（Ｕ
ＰＷ）であり、イオン、粒子、有機物およびコロイドの含有量が低い。本発明の水膜は、
水に対する選択性が最も高い既知の輸送チャンネルを用いた、新たな世代の逆浸透膜であ
る。

ここに関連して、「水膜」は、水の通過を可能にするが、他の殆どの材料または物質は
同時に通過することが出来ない構造体を示す。本発明の好ましい水膜は、基本的に水に対
してのみ（およびある場合にはグリセロールに対して）透過性である一方、溶質および他
の溶媒は通過できない。

第２の態様において、本発明は、一つの二分子層に構築されるとき、機能性アクアポリ
ン水チャンネルを含む少なくとも二つの脂質単分子層を有するサンドイッチ構造体を含む
水膜に関し、前記少なくとも二つの脂質単分子層が少なくとも一つの透過性支持体層によ
って分離される。この実施形態において、結果的に透過性支持体層は二つの脂質単分子層
を分離し、該二つの脂質単分子層は支持体層が穿孔／刺し孔を含むとき、脂質二分子層を
形成することが可能である。

本発明のさらなる態様は、任意に安定化膜に封入された、本発明の水膜を含む水濾過装
置に関し、精製される水溶性液体の入り口および精製された水の出口を有するハウジング
内に設置される。

本発明は、以下の段階を含む水膜を調製する方法にさらに関する。
ａ）アクアポリン水チャンネルを含む脂質ミクロベシクルであって、前記ミクロベシクル
を少なくとも０．１％ｍｏｌ／ｍｏｌ含む脂質ミクロベシクルを得る段階と、
ｂ）前記ベシクルを、親水性表面を有する本質的に平面状の、透過性の支持体上の平面状
脂質二分子層内部に融合させ、アクアポリンタンパク質が二分子層領域の少なくとも１％
を被覆する段階と、
ｃ）任意に、段階ｂ）を繰り返し、複数の融合二分子層を得る段階と、
ｄ）親水性表面を有する、第２の本質的に平面状の、透過性支持体を、段階ｂ）または段
階ｃ）で得られた脂質二分子層上に累積して、サンドイッチ構造体を得る段階と、
ｅ）任意に、得られたサンドイッチ構造体を透過性安定化膜内に封入する段階。

本発明は、以下の段階を含む水膜を調製する方法にも関する。
ａ）アクアポリン水チャンネルを含む脂質ミクロベシクルであって、前記ミクロベシクル
を少なくとも０．１％ｍｏｌ／ｍｏｌ含む脂質ミクロベシクルを得る段階と、
ｂ）前記ベシクルを、疎水性表面を有する本質的に平面状の、透過性の支持体周囲に構築
された平面状脂質二分子層内部に融合させ、アクアポリンタンパク質が二分子層領域の少
なくとも１％を被覆する段階と、
ｃ）任意に、得られたサンドイッチ構造体を透過性安定化膜内に封入する段階。

本発明は、逆浸透濾過膜として、機能性アクアポリン水チャンネルを含む水膜（例えば
、本発明の水膜）を含む逆浸透水濾過装置にさらに関する。

本発明は、尿、乳および汗／発汗などの体液から水を抽出および再生するための、機能
性アクアポリン水チャンネルを含む水膜を備えた水濾過装置にさらに関する。

加えて、本発明は、本発明の水膜を通じて天然または汚染された水源を濾過する結果得
られる精製水を調製する方法に関する。前記精製水は、溶解した物質または粒子などの汚
染物質を含まないことによって特徴付けられる。本発明は、機能性アクアポリンチャンネ
ルを含む逆浸透膜を用いて水源を濾過することによって精製水を得る方法にさらに関する
。

さらに、本発明の異なる態様は、以下に詳細が記述される疎水性重合体膜に関する。

最終的に、本発明の水膜の一般的設計は、他の目的に関する膜に適用可能であると考え
られ、他の方法で本発明の水膜として設計された膜内にアクアポリンではなく他の膜貫通
タンパク質が組み込まれる。そのような膜もまた本発明の一部であり、そのような膜には
、ここで開示された膜と同じ膜貫通タンパク質の選択を除いた全ての態様、およびアクア
ポリンではなく他の膜貫通タンパク質を含む膜に必要な変更を加えて適用する膜に関する
すべての開示が含まれる。

膜貫通タンパク質は、本発明において膜に含有するのに適したアクアポリンとは異なり
、例えばＴｈｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔｅｒ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｄａｔａｂ
ａｓｅ （ＴＣＤＢ）に見出されるいかなる膜貫通タンパク質から選択されてよいが、こ
れに制限されない。ＴＣＤＢはｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｃｄｂ．ｏｒｇからアクセス可
能である。

ＴＣＤＢにおいて本発明に含有される膜貫通タンパク質の例は以下のとおりである。
アエロリシン チャンネル形成トキシン
アグロバクテリアル ターゲット−ホスト 細胞−膜アニオンチャンネル
溶血素 チャンネル形成トキシン
アラメチシンシャンネル
アルギン酸塩排出ポーリン
アモエバポア
両親媒性ペプチドマストパラン
アミロイドｂ−タンパク質ペプチド
動物内向き整流性Ｋ^＋チャンネル
アネキシン
アポトーシス調節因子
ＡｒｐＱホリン
ＡＳ−４８
ＡＴＰゲートカチオンチャンネル
オートトランスポータ
バシラス サブチリス ｊ２９ ホリン
細菌タイプＩＩＩ−ターゲットセルポア
殺菌剤透過性増大タンパク質（Ｂａｃｔｅｒｉｃｉｄａｌ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ−
ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ）
バクテリオシン ＡＳ−４８ 環状ポリペプチド
バクテリオロドプシン
ベチコリン チャンネル
ＢＩｙＡ ホリン
ボツリヌス菌および破傷風菌毒素
ブルセラ−リゾビウム ポーリン
カンピロバクター空腸主外膜ポーリン
カチリシジンカチオンチャンネル
カチオンチャンネル形成熱ショックタンパク質７０
セクロピン
チャンネル形成炭疽菌感染防御抗原
チャンネル形成セラミド
チャンネル形成コリシン
チャンネル形成コリシンＶ
チャンネル形成ｄ−エンドトキシン殺虫性結晶タンパク質
チャンネル形成ｅ−トキシン
チャンネル形成ロイコシジン細胞毒素
クラミジアポーリン
塩素チャンネル
葉緑体膜アニオンチャンネル形成体
葉緑体外膜溶質チャンネル
コレステロール結合、チオール活性化溶血毒素
クロストリジウム細胞毒素
補体タンパク質Ｃ９
錯体化ポリヒドロキシブチレート−Ｃａ^２＋チャンネル
コリネバクテリアポーリン
Ｃｐｈｌホリン
Ｃ型ナトリウム排泄増加ペプチド
シアノバクテリアポーリン
シクロデキストリンポーリン
シトヘモリシン
細胞毒素アミリン
デフェンシン
デルマセプチン
ジフテリア毒素
ダイバージシンＡ
ミミズリセニン毒素
エンベロープウイルスＥ１チャンネル
上皮塩化物チャンネル
上皮Ｎａ^＋チャンネル
ＦａｄＬ外膜タンパク質
フソバクテリアル外膜ポーリン
ギャップ接合形成コネキシン
ギャップ接合形成イネキシン
ジェネラルバクテリアルポーリン
グルコース選択性ＯｐｒＢポーリン
神経伝達物質受容体のグルタミン酸塩ゲート型イオンチャンネル
ｇｐ９１^ｐｈｏｘ食細胞ＮＡＤＰＨ−オキシダーゼ−関連ｃｙｔ ｂ_５５８ Ｈ^＋チャン
ネル
グラミシジンＡチャンネル
Ｈ^＋−またはＮａ^＋−転座（ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｎｇ）細菌べん毛モータ
Ｈ^＋−またはＮａ^＋−転座（ｔｒａｎｓｌｏｃａｔｉｎｇ）細菌ＭｏｔＡＢべん毛モータ
／ＥｘｂＢＤ外膜輸送
ヘリコバクター外膜ポーリン
ＨＰ１ホリン
インフルエンザウイルス マトリックス−２チャンネル
昆虫デフェンシン
細胞内塩化物チャンネル
ｊ１１ホリン
ｊＡｄｈホリン
ｊＵ５３ホリン
ラクタシンＸ
ラクチシン４８１
ラクトシンＳ
ラクトコッシン９７２
ラクトコッシンＡ
ラクトコッシンＧ
大コンダクタンス機械受容イオンチャンネル
ホリンＳ
神経伝達物質受容体のリガンドゲート型イオンチャンネル
ＬｒｇＡホリン
ＬｙｄＡホリン
マガイニン
主要な内在性タンパク質（Ｍａｊｏｒ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｐｒｏｔｅｉｎ）
メリッチン
金属イオン輸送体（チャンネル）
マイクロシンＥ４９２
ミトコンドリアおよび色素体ポーリン
ミコバクテリアポーリン
ニシン
非選択性カチオンチャンネル−１
非選択性カチオンチャンネル−２
ヌクレオシド特異性チャンネル形成外膜ポーリン
ＯｍｐＡ−ＯｍｐＦポーリン
ＯｍｐＧポーリン
細胞小器官塩化物チャンネル
外部バクテリア膜セクレチン
外膜補助タンパク質
外膜因子
外膜線毛アッシャーポーリン
外膜ポーリン
外膜受容体
Ｐ２ホリンＴＭ
Ｐ２１ホリンＳ
ペディオシン
ホスフォレマン
ピロスリン
植物デフェンシン
植物プラスモデスム
植物チオニン
プランタリシンＥＦ
プランタリシンＪＫ
１６ｋＤａのプラスチドアウター−エンベロープポーリン
２１ｋＤａのプラスチドアウター−エンベロープポーリン
２４ｋＤａのプラスチドアウター−エンベロープポーリン
ポリシスチンカチオンチャンネル
ポリグルタミンイオンチャンネル
孔形成エキナトキシン
孔形成ヘモリシンＥ
孔形成ＲＴＸトキシン
ＰＲＤ１ホリンＭ
プリオンペプチドフラグメント
シュードモナスシリンゲＨｒｐＺターゲット−ホスト細胞膜
シュードモナスＯｐｒＰポーリン
ラフィノースポーリン
ロドバクターＰｏｒＣａポーリン
リアノジン−イノシトール−１，４，５−三リン酸受容体Ｃａ^２＋チャンネル
サポニンチャンネル
志賀毒素Ｂチェーン
短鎖アミドおよび尿素ポーリン
小コンダクタンス機械受容イオンチャンネル
糖ポーリン
シリンゴマイシンチャンネル
シリンゴペプチンチャンネル
Ｔ４ホリン
Ｔ４免疫ホリン
Ｔ７ホリン
タチプレシン
トルアシンチャンネル
外膜受容体（ＯＭＲ）−ｍｅｄｉ−のエナジャイザーのＴｏｎＢ−ＥｘｂＢ−ＥｘｂＤ／
ＴｏｌＡ−ＴｏｌＱ−ＴｏｌＲ
トランジエントレセプターポテンシャルＣａ^２＋チャンネル
トライパタイトヘモリシンＢＬ
ツーパートナー分泌ポーリン
タイプＢ インフルエンザウイルスＮＢチャンネル
尿素輸送体（チャンネル）
尿素／アミドチャンネル
空胞化シトトキシン
ビブリオキトポーリン／ナイセリアポーリン
電位開口型イオンチャンネルスーパーファミリー
鞭虫スチコソームポーリン
酵母キラートキシンＫ１
酵母伸展活性化カチオン選択性Ｃａ^２＋チャンネル

本発明のさらなる態様は、水溶性の物質または溶液から、例えば所望の溶質の濃度を増
加するため、過剰な水を抽出する水膜の使用を含む。

本発明の一実施形態による水膜の様々な成分を示す図であり、本発明による水膜のサンドイッチ構造を有する例における組み込まれたアクアポリン分子を有する支持された脂質二分子層を有する。 本発明の一実施形態による水膜の様々な成分を示す図であり、本発明による水膜のサンドイッチ構造を有する例における組み込まれたアクアポリン分子を有する支持された脂質二分子層を有し、アクアポリンチャンネルを含む脂質二分子層は透過性または多孔質の支持体の孔内部にある。 アクアポリンを含むバイオミメティック膜の設計を記述する図である。図は本発明の他の実施形態による膜の様々な成分を示し、多孔質テフロン（登録商標）膜周囲にはさまれた組み込まれたアクアポリン分子を有する支持された脂質二分子層を有する。 アクアポリンを含むバイオミメティック膜の設計を記述する図である。図は本発明の他の実施形態による膜の様々な成分を示し、多孔質テフロン（登録商標）膜周囲にはさまれた組み込まれたアクアポリン分子を有し、さらにサンドイッチ構造体に封入された支持された脂質二分子層を有する。 組み込まれたアクアポリン分子を有する封入されたサンドイッチ構造の脂質二分子層を含む水膜の様々な成分を示す図である。 本発明の他の実施形態による入口および出口を有するフィルターハウジング内に設置されたときの、本発明の封入された水膜の図である。 本発明のさらに他の実施形態による水精製システムの様々な成分を示す図である。このシステムは、未精製水の入口要素、二媒体濾過区画、水軟化区画、任意に重亜硫酸塩および苛性添加物、ＲＯ１およびＲ２フィルタを通る追加の精製のためのループを有するポンプに接続された逆浸透性フィルタ１および２（ＲＯ１、ＲＯ２）、ＵＶ消毒区画を有するドレインおよび貯蔵のためのタンクへの出口を備える。 タンパク質のアクアポリンおよびアクアグリセロポリン群の様々な物質を説明する。 マイカ上に形成された膜の原子間力顕微鏡像である。膜は例１において記述される手順により調製された。 本発明のらせん状に曲げられた水膜を備えたフィルタ装置を示す。 図１０の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 空気−水界面からの脂質のラングミュア−ブロジェット累積による支持された二分子層の調製を説明する図である。 ベシクル融合手順を説明する図である。ベシクルは基板に吸着し、支持されて二分子層を形成するよう破壊される。 スピン−コーティングによる支持された脂質二分子層を説明する図である。

生きている細胞は脂質二分子層膜によって囲まれており、細胞を他の細胞および細胞外
の媒体から分離する。脂質二分子層膜は基本的に水、イオン、および他の極性分子を透過
しない。しかし、多くの例において、そのような物は、しばしば細胞外または細胞内信号
に応答して、膜を通って迅速に、および選択的に輸送される必要がある。水輸送という作
業は、アクアポリン水チャンネルタンパク質によって成される（Ｐｒｅｓｔｏｎら、１９
９２）。アクアポリンはあらゆる形態において生命にとって非常に重要であり、バクテリ
アから植物、人間に至るまで、全ての有機体において見出される。アクアポリンは、迅速
で高度に選択的な水輸送を促進して、結果的に細胞膜を横切る静水圧差および／または浸
透圧差によって細胞がその体積および内部浸透圧を調節することを可能にする。人間にお
けるアクアポリンの生理学上の重要性は、おそらく腎臓において最も顕著であり、そこで
は〜１５０−２００リットルの水が毎日初期の尿から再吸収される、すなわち、水が迅速
に体液から回収されなくてはならないとき、アクアポリンに促進された水輸送が起こる。
腎臓においては、これはＡＱＰ１およびＡＱＰ２で示される二つのアクアポリン（１１の
異なるアクアポリンが人間内部において知られている）によって主に可能になる。植物に
おいても、アクアポリンは根における水吸収に関して、および植物全体の水収支の保持に
関して重要である（Ａｇｒｅら、１９９８、Ｂｏｒｇｎｉａら、１９９９）。様々な有機
体および組織における水輸送の研究は、アクアポリンが非常に高い水透過率、一つのチャ
ンネルにおいて１秒あたり〜１０^９のＨ_２Ｏ分子（Ａｇｒｅ ｅｔら、１９９８，Ｂｏｒ
ｇｎｉａら、１９９９）、を保持すると同時に、狭い孔を有しており、あらゆる大きな分
子、イオン（塩）、およびプロトン（Ｈ_３Ｏ＋）、水酸化物イオン（ＯＨ−）の流れさえ
も防ぐことを示した。ＡＱＰ１の最初の高解像度３Ｄ構造および関連するグリセロール伝
導バクテリアチャンネルタンパク質アクアグリセロポリンＧｌｐＦが報告された２０００
および２００１までに（Ｆｕら、２０００；Ｍｕｒａｔａら、２０００；Ｒｅｎら、２０
０１；Ｓｕｉら、２００１）、水選択性の原因についてはほとんど分かっていなかった。

しかしながら、実験的な構造に基づいて詳細なコンピュータモデルが提案され、高い透
過率および厳密な水の選択性だけではなく、アクアポリンがプロトンの漏れも防ぐ性能も
説明した（ｄｅ ＧｒｏｏｔおよびＧｒｕｂｍｕｌｌｅｒ，２００１；Ｔａｊｋｈｏｒｓ
ｈｉｄら、２００２，Ｊｅｎｓｅｎら、２００３，Ｚｈｕら、２００３，ｄｅ Ｇｒｏｏ
ｔら、２００３，ＢｕｒｙｋｉｎおよびＷａｒｓｈｅｌ ２００３，Ｉｌａｎら、２００
４，Ｃｈａｋｒａｂａｒｔｉら、２００４）。本質的に、アクアポリンチャンネルの構造
は、チャンネル内部の静電的調整があらゆる帯電した化学種に対するアクアポリンの選択
性を制御する、すなわちプロトンおよび水酸化物イオンと同様にあらゆるイオン（塩）の
輸送が行なわれない一方で、水分子が一列のみ通過することを可能にする（ｄｅ Ｇｒｏ
ｏｔおよびＧｒｕｂｍｕｌｌｅｒ，２００１；Ｔａｊｋｈｏｒｓｈｉｄら、２００２，Ｊ
ｅｎｓｅｎら、２００３，Ｚｈｕら、２００３，ｄｅ Ｇｒｏｏｔら、２００３，Ｂｕｒ
ｙｋｉｎおよびＷａｒｓｈｅｌ ２００３，Ｉｌａｎら、２００４，Ｃｈａｋｒａｂａｒ
ｔｉら、２００４）。簡単にいえば、これは水分子のみがアクアポリン水孔を通過するこ
とを示しているにほかならない。

アクアポリンチャンネルの各単位が〜１０^９Ｈ_２Ｏ分子／秒、すなわち、〜４×１０^９
分子／チャンネル／秒で輸送を行なう。従って、アクアポリン１ｇが非常に高い圧力下で
１秒あたり〜７２０リットルの水を輸送することができる。機能性アクアポリンチャンネ
ルを通って濾過された、結果として得られた水は〜１００％精製水であり、イオン、粒子
、有機物およびコロイドを含有せず、例えば〜１００％Ｈ_２Ｏから構成される。

ここで使用される膜タンパク質のアクアポリンファミリーは、水分子に加えてグリセロ
ールを通すＧＬｐＦタンパク質も含む。好ましいアクアポリンはＴＩＰ、ＰＩＰまたはＮ
ＩＰアクアポリンなどの植物由来のものであり、例えば図８に示される。

以下に開示される本発明の膜は水のみを通過させ、その結果逆浸透を通じて水の精製、
脱塩および分子濃縮を容易にする。アクアポリンは、水溶液からのバクテリア、ウイルス
、無機物、タンパク質、ＤＮＡ、塩、洗浄剤、溶解した気体、さらにはプロトンを含む全
ての不純物の経路を排除することで知られているが、それらの構造のためアクアポリン分
子は水を輸送することができる。関連するアクアグリセロポリン（ＧＬｐＦ）のファミリ
ーは、それに加えてグリセロールを輸送することができる。全てのアクアポリンはタンパ
ク質を膜内に固定する膜貫通アルファ−ヘリカルドメイン、およびタンパク質の中央にお
いて頂点から頂点に一体となって一種の砂時計型の形態を有する、二つの高度に保存され
たＮＰＡ（Ａｓｎ−Ｐｒｏ−Ａｌａ）ループを含む。水の動きは対照的であり、どちらの
方向へも進むことができることが示された。このプロセスはエネルギーを消費しないので
、この事実は重要である。静水圧または浸透圧のために、水は膜を通って特定の方向へと
動く。

従って、精製水を飲用に適さない水源から得ることができ、またはもしも源水が興味の
対象である化学物質を含む場合には、水は選択的に除去されることができ、投入チャンバ
内に高濃度の所望の化学物質を残す。しかし、重要なことに、水に対する限定的な選択性
以外の理由でもアクアポリンは本発明に適する。このタンパク質ファミリーの多くのもの
が、機能を失うことなく、汚染された源水の厳しい条件に耐えることができる。アクアポ
リンは、酸、電圧、洗浄剤、および熱に対する露出による変成または分解に耐性を有する
。従って、本発明の膜は、他の膜を汚すまたは破壊する可能性がある材料で汚染された源
水を精製するのに使用することができ、一貫して高温にさらされる領域で使用することが
できる。

アクアポリンは突然変異が起き易い。タンパク質は、その最終形状および機能に影響す
る遺伝子配列に従って宿主細菌内で特異的に発現する可能性があるので、技術者はタンパ
ク質の特性を変えるためにその遺伝子コードを容易に変更することができる。従って、タ
ンパク質は、タンパク質の元々の機能と異なっていてよい所望の用途を満たすように設計
されてよい。例えば、システインの水チャンネルの中心近傍の特定のアミノ酸残基を単純
に変更することによって、製造されるアクアポリンは溶液中のあらゆる遊離水銀を結合し
、妨害に起因して水の輸送が停止するだろう。その結果、膜デバイスにおいて使用される
これらの突然変異タンパク質は、毒性物質の濃度が非常に高くなったときに単純に流れを
停止することによって、水サンプル中の水銀汚染を検出することができる。

最後に、新規のタンパク質ベース膜は製造コストが非常に低い。ウシ赤血球から得られ
たＡＱＰ１を有する細胞膜断片を含む脂質ミクロベシクルは、廉価なアクアポリン源であ
る。

他の方法では、アクアポリンは人工的に作り出された大腸菌の菌株からミリグラムの量
で得られてよい。それを製造している培養液１リットルあたり約２．５ｍｇの純粋なタン
パク質が得られてよい。米国出願公開第２００４００４９２３０号明細書を参照されたい
。

従って、我々は汚れた、塩を含む、または他の方法で汚染された水からの、完全に純粋
な水の高効率な製造を実現するためここに生物学的成分を使用する方法および装置を開示
する。本発明は、水輸送生物学的タンパク質と外部装置との統合を実行し、水精製装置の
大規模な製造を可能にする製造経路に対する方向性を示す。

本発明の第１の態様
本発明の上述の第１の態様において、水膜は機能性アクアポリン水チャンネルを含む少
なくとも一つの脂質二分子層によって分離された少なくとも二つの透過性支持体層を有す
るサンドイッチ構造体を含む。

本発明の第１の態様の水膜は、結果的に、表１に記載された脂質を含む膜など、両親媒
性の脂質膜からなる。その結果、脂質二分子層は本質的にリン脂質、ホスホグリセリド、
スフィンゴ脂質およびカルジオリピンからなる群、同様にそれらの混合物から選択される
両親媒性の脂質からなり、例えば１，２−ジパルミトイル−ｓｎ−ホスファチジルコリン
（ＤＰＰＣ）、またはリン脂質の混合物などのリン脂質である。

他の方法では、脂質二分子層は本質的に重合可能な脂質からなるか、またはそれらを含
んでよい（表１を参照）。

このように、本発明の水膜は、多孔質支持体の上に再構成されたアクアポリン水チャン
ネルを含む。本発明による水膜の調製に関して親水性表面を有する有用な支持体材料は、
好ましくは、マスコバイトなどのマイカ、マイカテープ、ポリスルホン、ＡｌＯ_２、およ
び親水表面を有する重合体材料、例えばセルロースから選択される。支持体材料は本質的
に平面状であるが、これは支持体が平面であることが好ましいことを意味するのであって
、例えばらせん状に巻いたフィルタが製造されるとき必要とされるように、支持体の湾曲
も許容される。この場合、例えばセルロース膜など、支持体材料が柔軟であることが好ま
しい。

多孔質支持体は、好ましくはマイカなど、親水性表面を持つ本質的に平面な構造を有す
る材料であって、例えばエッチングによってミクロ孔またはナノ孔が形成された材料を含
んでよい。従って、第１の態様の実施形態において、透過性支持体層は本質的に平面の、
親水性層を含み、該親水性層はマイカまたはマイカテープを含み、層の厚みはｍｍからμ
ｍのスケールであって、およそ５０ｎｍ未満（典型的には１０−４０ｎｍの範囲）の直径
を有するナノ孔が形成されている（例えばトラックエッチ技術などのエッチングによって
）。マイカは、好ましくはマスコバイトである。

透過性支持体層も、シリコーン膜、ポリスルホン、ＡｌＯ_２、および親水性表面を有す
るセルロースなどの重合体からなる群から選択される膜など、親水化膜表面を含んでよく
、およそ５０ｎｍ未満（典型的には１０−４０ｎｍの範囲）の直径を有するナノ孔が形成
されている。

アクアポリンチャンネルを含む脂質膜は、生物学的な細胞膜の天然の構成に類似した二
分子層であってよく、または脂質膜は融合した累積された脂質ベシクルの複数の二分子層
からなるものであってよい。脂質は、例えばリン脂質（またはホスホグリセリド）、スフ
ィンゴ脂質およびカルジオリピンなど、好ましくは両親媒性である。多孔質基板上に脂質
層を累積するとき、アクアポリンチャンネルは好ましくは支持体材料中の予め存在する孔
に隣接してまたは孔内に累積されてよい。

本発明の好ましい実施形態において使用される透過性または多孔質支持体は、Ｒ．Ｍ．
Ｗｅｂｂｅｒ，Ｊ．Ｌ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｍ．Ｓ．Ｊｏｈｎ，Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕ
ｌｅｓ ２３（１９９０），１０２６−１０３４に従って調製されることが好ましく、そ
こでは以下のように記述されている。

「膜はマスコバイトマイカの薄いシート、厚さ約７ｎｍ、からトラックエッチ技術によっ
て作成された。トラックエッチされた膜で、孔はフッ化水素酸溶液でカリホルニウム２５
２源からの視準された核分裂片によって生成されるトラックをエッチングすることによっ
て形成される。孔の数（ｎ）は、核分裂源に対する膜の露出時間によって制御され、一方
で孔半径はエッチング時間、温度、およびフッ化水素酸水溶液バスの濃度によって決定さ
れる。孔のサイズは均一であり、膜表面に対して垂直である。孔サイズの分布が大きいこ
とは、より大きな孔を通ってバイアスされた流れに起因して、重合体層の流体力学的厚み
に関する曖昧な結果につながるため、孔サイズの均一度はこれらの膜の重要な特徴である
。膜の照射部分に関する孔の断面積分率はおよそ１％であった。従って、二項式孔サイズ
分布によってモデル化されたとき、単一孔の全数は９６％よりも大きかった。孔は膜面に
対して垂直なので、孔の長さ（１）は膜の厚みに等しかった。厚みは既知の膜寸法および
重量から決定された。」

孔の最終的な数および分布を得ることが好ましく、それは脂質層中のアクアポリンチャ
ンネルの数および分布におよそ等しい。

本発明の第２の態様
例えばテフロン（登録商標）フィルムなど、疎水性表面を有する多孔質支持体膜の周囲
に構築された平面脂質二分子層中のアクアポリン水チャンネルを再構成することも可能で
あり、脂質単分子層が多孔質支持体膜の各側に構築される。多孔質支持体膜の孔中で脂質
二分子層が構築され、アクアポリン水チャンネルが再構成されてよい。

本発明の第２の態様は、少なくとも二つの脂質単分子層を有するサンドイッチ構造体を
含む水膜によって構成され、一つの二分子層に構築されるとき、機能性アクアポリン水チ
ャンネルを含み、前記少なくとも二つの脂質単分子層が少なくとも一つの透過性支持体層
によって分離される。典型的には、支持体層は疎水性の孔が形成された材料を含み、該材
料は脂質単分子層と接触表面を形成し、脂質二分子層は疎水性の孔が形成された材料の穿
孔内に形成される。

疎水性材料は疎水性の程度が脱イオン水と疎水性材料との間の接触角にして少なくとも
１００°に相当することが好ましく、接触角の測定は２０℃および大気圧で実施されるが
、疎水性の程度は高いことが好ましく、例えば接触角が少なくとも１０５°、１１０°、
１２０°および１２０°に相当する。好ましくは、疎水性材料はパラフィルムまたはテフ
ロン（登録商標）である。

疎水性材料は典型的には平面であり（しかし、柔軟であって、その結果曲がってもよい
）、孔は典型的には均一に分布され、疎水性材料の二つの表面間の中間の平面内で実質的
に全てが実質的に同じ幾何学的形状を有する。疎水性材料中の孔の形成に関する詳細は以
下に与えられる。

「中間の平面」は、平面疎水性材料の二つの表面のどちらに対する垂直距離も同じであ
る点からなる平面として定義される。

疎水性材料の孔サイズは、両親媒性脂質の安定な二分子層が孔の中で形成され得ること
を確実にするのみであり、従ってそれらはｎｍ、μｍまたはｍｍの範囲のサイズを有して
よい。

疎水性材料は、好ましくは材料において孔が形成された面積と孔が形成されていない面
積との比が最大になるように孔を形成される。なぜなら、これによって水輸送をもたらす
アクアポリンを有する脂質二分子層の面積を最大にするためである。孔によって構成され
たパターンは、各孔間の距離のように結果的に重要である。最適なパターンは、パターン
内部の各孔の間の「壁厚み」を最小にして孔を六角形に配列するものである。しかしなが
ら、正方形のようなパターンであっても十分であると判明するかもしれない。

したがって、本発明の第２の態様の水膜は、表１に記載される脂質を含む膜など、両親
媒性脂質膜も含む。結果的に、脂質二分子層は本質的にリン脂質、ホスホグリセリド、ス
フィンゴ脂質およびカルジオリピンからなる群、同様にそれらの混合物から選択される両
親媒性脂質からなり、例えば１，２−ジパルミトイル−ｓｎ−ホスファチジルコリン（Ｄ
ＰＰＣ）、またはリン脂質の混合物などのリン脂質である。第１の態様との相違は、疎水
性支持体に孔が形成される領域において主に膜が二分子層を構成するのみであることであ
り、それに対して脂質はそれらの疎水性末端を疎水性支持体に向け、親水性末端を水性の
環境に向けて組織化される。

二分子層の調製
膜材料の固有の透過性は安定でなくてはならない。透過性の低い材料は好ましいが、し
かしながら、同時に頑強であって、かつアクアポリンを組み込むことができ全体が安定で
密度の高い２Ｄ濾過配列を構成しなくてはならない。支持された脂質二分子層を調製する
ために様々な手法が一般的に使用される。簡単な技術は、ラングミュア−ブロジェット法
である。適切な有機溶媒中の脂質溶液はラングミュアトラフ内の水性副層上に展開され、
有機溶媒は蒸発される。一対の可動性隔壁が脂質膜を所望の表面圧力まで横方向に圧縮す
るのに使用される。その後、基板は膜を通って垂直に通過し、それによって一分子の厚さ
の脂質層（単分子層）を基板上部に移動する（図１２参照）。第２の単分子層は、基板を
もう一度フィルムを通して通過させることによって移動されてよい。全部で三つの単分子
層が垂直（ラングミュア−ブロジェット）累積法によって移動されるが、第４の膜は最後
の層に関して水平累積、いわゆるラングミュア−シェーファー（ＬＳ）を用いて移動され
てよい。この方法は様々な脂質で使用されてよい。天然の生物学的膜はしばしば非対称で
ある。ＬＢおよびＬＳのどちらも非対称二分子層の調製の可能性を提供する。これは、累
積の間に副層上の脂質膜を変更することによって行なわれる。

支持体二分子層を調製する他の方法が、ベシクル融合法である（ＢｒｉａｎおよびＭｃ
Ｃｏｎｎｅｌｌ １９８４）。小さな単層ベシクル（ＳＵＶ）の溶液が親水化シリコンま
たは新たに切断されたマイカの切片表面上に塗布される。このサンプルが低温（４℃）に
置かれるとき、ベシクルは表面と融合して連続的な二分子層を形成する（図１３）。いか
なる理論にも束縛されることなく、ベシクルは最初基板表面に吸着し、その後融合して平
坦でパンケーキのような構造体を形成し、最終的に分裂および散開して結果的に表面上に
単一の二分子層をもたらすと仮定されている（ＲｅｖｉａｋｉｎｅおよびＢｒｉｓｓｏｎ
２０００）。基板との融合の後、基板と直接接触するベシクルの一部分のみが支持され
た二分子層になることも示された（Ｌｅｏｎｅｎｋｏら、２０００）。このメカニズムで
、最も曲率の高い末端においてベシクルが分裂し、二分子層の上部分は基板表面へと移動
して、形成され支持された二分子層のサイズを増加する可能性がある。溶液を基板上部に
塗布後数分で二分子層が形成されることが報告されたが（Ｔｏｋｕｍａｓｕら、２００３
）、この短い放置時間は不完全な二分子層をもたらす可能性がある。数時間または終夜放
置も報告されている（Ｒｅｉｍｈｕｌｔら、２００３、Ｒｉｎｉａら、２０００）。

支持された二分子層を調製するために使用することができる第３の技術はスピンコーテ
ィングである（Ｒｅｉｍｈｕｌｔら、２００３、ＳｉｍｏｎｓｅｎおよびＢａｇａｔｏｌ
ｌｉ ２００４）。スピンコーティングにおいて、脂質は適切な溶媒に溶解され、液滴は
基板上に配置され、その後溶媒が蒸発して脂質コーティングが生成される間回転される。
脂質溶液の濃度に依存して、スピンコートされた膜は一つ以上の脂質二分子層からなる。
しかしながら、水和すると複数層は不安定な様子を示し、通常は表面上にただ一つの支持
された二分子層が残る（図１４）。この手順は容易かつ迅速であり、中間体（ＤＰＰＣ）
および非常に高い転移温度（セラミド）を有する脂質と同様に、低融点脂質（ＰＯＰＣ）
で実行されている。有用な脂質は、例えばリン脂質および両親媒性脂質を含む。

タンパク質またはペプチドの支持された二分子層中にさらにペプチドおよびタンパク質
を組み込みたいとき、ベシクル融合法は最も応用性が高い。言及された他の手順は有機溶
媒中におけるタンパク質またはペプチドの可溶化を含むためである。多くの膜タンパク質
は、特にそれらが膜のどちらかの側において水溶液に露出される大きなドメインを含む場
合、有機溶媒中で変性する可能性がある。従って、ペプチドまたはタンパク質をベシクル
中に挿入することが好ましい。多くのペプチドおよびアクアポリンなどのタンパク質は、
ベシクルの形成より前に有機溶媒中で脂質と共可溶化されることができ、ペプチドを含む
ベシクルはその後基板に塗布される。これは数多くのペプチド、例えばＷＡＬＰ（Ｒｉｎ
ｉａら、２０００）、グラミシジン（Ｍｏｕら、１９９６）、クラバニンＡ（ｖａｎ Ｋ
ａｎら、２００３）、およびアミロイドβタンパク質（Ｌｉｎら、２００１）で実行され
てきた。アクアポリンなどの膜タンパク質は、好ましくは他の手法によってベシクル内部
に挿入される。これはここに組み込まれる２００５年２月ＭＥＭＰＨＹＳ−ｃｅｎｔｅｒ
ｆｏｒ ｂｉｏｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｄｅｐａｒｔｍ
ｅｎｔ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｄｅｎｍａｒｋ ａｎｄ Ｄ
ａｎｓｉｈ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｅｎｔｒｅ， Ｒｉｓｏ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏ
ｒａｔｏｒｙ， ＤｅｎｍａｒｋのＤａｎｉｅｌｌｅ Ｋｅｌｌｅｒによる論文「Ｓｕｐ
ｐｏｒｔｅｄ ｂｉｌａｙｅｒｓ ａｓ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ
ｍｅｍｂｒａｎｅｓ」イントロダクションから第４章の４１−４５頁においてモデルタン
パク質としてシトクロムｃオキシダーゼに関して記述されるように、膜タンパク質のベシ
クル内部への再構成のための戦略を用いて実行されてよい。

別個の２Ｄ配列の複数層の積層体は可能であり、望ましいと考えられる。積層された配
列の最終寸法は全体の頑強さおよび選択された膜材料／膜組成に固有の透過性に依存する
。積層は、タンパク質が単一に、おそらく支持された脂質二分子層に自明に埋め込まれた
システムから逸脱するかもしれない。その後支持された二分子層上で一連のベシクルが崩
壊する事象は、前もって必要とされるベシクルが適切なアクアポリンと再構成されるなら
ば、複数層濾過単位装置を提供する可能性がある。積層単位装置を安定させる膜または安
定させる重合体マトリックス内部へ組み込むこと、その後これらの個々の単位を綴じるこ
とは、最終的に自己組織化プロセスを通じて、全体の濾過メッシュを与えるだろう。

本発明の態様の共通の特徴
本発明の様々な態様に関する多くの特徴がある。

本発明による水膜の調製に関する有用なアクアポリンは、ＡＱＰ１、ＴＩＰ、ＰＩＰ、
ＮＩＰ、図８を参照、および混合物およびそれらのハイブリッドである。例えば人に害を
及ぼす病原性ウイルスおよびプリオンなど、不純物を含有するリスクが大幅に低減される
ので、植物由来のアクアポリンは特に望ましい。加えて、植物アクアポリンは植物の自然
発生物であり、過剰発現される可能性があり、植物中で生成される。

従って、アクアポリン水チャンネルは、好ましくは、例えばＧＬＰＡチャンネル、ＧＬ
ＰＢ１チャンネル、ＧＬＰＢ２チャンネル、ＧＬＰＢ３チャンネル、およびＧＬＰＹ２チ
ャンネルなどのアクアグリセロポリン（ＧＬｐＦ）、およびそれらの混合物およびそれら
のハイブリッドからなる群から選択される。

本発明の水膜は、好ましくは、剛直または柔軟であってよい安定化させる透過性のまた
は多孔質の膜内に囲まれ、該膜は精製される水性液体から粗い粒子状物質を取り除く前置
フィルタと同様に水膜を保護するはたらきをしてよい。他の方法では、またはそれに加え
て、本発明の水膜はフィルターディスク上に累積されて、水フィルタを形成してよい。

本発明の水膜を囲うため任意に使用される安定化する膜に有用な材料は、相対的に小さ
な孔サイズを有するミクロ多孔質シリコーン膜であり、室温近傍または約５０℃以下で固
化する。

アクアポリンの再構成および脂質二分子層の形成に有用な脂質は、ＰＯＰＣ、ＤＰＰＣ
、セラミド、表１参照、およびそれらの混合物である。

表１は本発明の水膜において使用される脂質二分子層の形成に有用な脂質のリストであ
る。

ホスファチジルコリン:
１，２−ジミリストイルホスファチジルコリン（ＤＭＰＣ）
１，２−ジパルミトイルホスファチジルコリン（ＤＰＰＣ）
１，２−ジステアロイルホスファチジルコリン（ＤＳＰＣ）
１，２−ジオレオイルホスファチジルコリン（ＤＯＰＣ）
１，２−ジミリストレオイルホスファチジルコリン
１，２−ジパルミトレオイルホスファチジルコリン
１，２−ジペトロセリノイルホスファチジルコリン
１，２−ジエライドイルホスファチジルコリン
１，２−ジリノレオイルホスファチジルコリン
１，２−ジリノレノイルホスファチジルコリン
１，２−ジエイコセノイルホスファチジルコリン
１，２−ジアラチドノイルホスファチジルコリン
１，２−ジエルコイルホスファチジルコリン
１，２−デナボノイルホスファチジルコリン（１，２−ｄｎｅｒｖｏｎｏｙｌｐｈｏｓｐ
ｈａｔｉｄｙｌｃｈｏｌｉｎｅ）
１−パルミトイル−２−オレオイルホスファチジルコリン（ＰＯＰＣ）
１−パルミトイル−２−リノレオイルホスファチジルコリン
１−パルミトイル−２−アラキドノイルホスファチジルコリン
１−パルミトイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルコリン
１−ステアロイル−２−オレオイルホスファチジルコリン（ＳＯＰＣ）
１−ステアロイル−２−リノレオイルホスファチジルコリン
１−ステアロイル−２−アラキドノイルホスファチジルコリン
１−ステアロイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルコリン
１−オレオイル−２−パルミトイルホスファチジルコリン
１−オレオイル−２−パルミトイルホスファチジルコリン
１−オレオイル−２−ステアロイルホスファチジルコリン
１，２−ジドコサヘキサノイルホスファチジルコリン

ホスファチジルエタノールアミン：
１，２−ジミリストイルホスファチジルエタノールアミン（ＤＭＰＥ）
１，２−ジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン（ＤＰＰＥ）
１，２−ジステアロイルホスファチジルエタノールアミン（ＤＳＰＥ）
１，２−ジオレオイルホスファチジルエタノールアミン（ＤＯＰＥ）
１−パルミトイル−２−オレオイルホスファチジルエタノールアミン（ＰＯＰＥ）
１−パルミトイル−２−リノレオイルホスファチジルエタノールアミン
１−パルミトイル−２−アラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
１−パルミトイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルエタノールアミン
１−ステアロイル−２−オレオイルホスファチジルエタノールアミン（ＳＯＰＥ）
１−ステアロイル−２−リノレオイルホスファチジルエタノールアミン
１−ステアロイル−２−アラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
１−ステアロイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジエライドイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジリノレオイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジリノレノイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジアラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジドコサヘキサノイルホスファチジルエタノールアミン
１，２−ジパルミトレオイルホスファチジルエタノールアミン

ホスファチジルグリセロール：
１，２−ジミリストイルホスファチジルグリセロール（ＤＭＰＧ）
１，２−ジパルミトイルホスファチジルグリセロール（ＤＰＰＧ）
１，２−ジステアロイルホスファチジルグリセロール（ＤＳＰＧ）
１，２−ジオレオイルホスファチジルグリセロール（ＤＯＰＧ）
１−パルミトイル−２−オレオイルホスファチジルグリセロール
１−パルミトイル−２−リノレオイルホスファチジルグリセロール
１−パルミトイル−２−アラキドノイルホスファチジルグリセロール
１−パルミトイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルグリセロール
１−ステアロイル−２−オレオイルホスファチジルグリセロール（ＳＯＰＧ）
１−ステアロイル−２−リノレオイルホスファチジルグリセロール
１−ステアロイル−２−アラキドノイルホスファチジルグリセロール
１−ステアロイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルグリセロール

ホスファチジルセリン：
１−パルミトイル−２−オレオイルホスファチジルセリン（ＰＯＰＳ）
１−パルミトイル−２−リノレオイルホスファチジルセリン
１−パルミトイル−２−アラキドノイルホスファチジルセリン
１−パルミトイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルセリン
１−ステアロイル−２−オレオイルホスファチジルセリン（ＳＯＰＳ）
１−ステアロイル−２−リノレオイルホスファチジルセリン
１−ステアロイル−２−アラキドノイルホスファチジルセリン
１−ステアロイル−２−ドコサヘキサノイルホスファチジルセリン
１，２−ジミリストイルホスファチジルセリン（ＤＭＰＳ）
１，２−ジパルミトイルホスファチジルセリン（ＤＰＰＳ）
１，２−ジステアロイルホスファチジルセリン（ＤＳＰＳ）
１，２−ジオレオイルホスファチジルセリン（ＤＯＰＳ）
１，２−ジドコサヘキサノイルホスファチジルセリン
１，２−ジエルコイルホスファチジルセリン

特別な脂質：
カルジオリピン
二極性脂質
天然脂質抽出物：
卵黄ホスファチジルコリン
ウシ心臓ホスファチジルコリン
脳ホスファチジルコリン
ウシ肝臓ホスファチジルコリン
大豆ホスファチジルコリン
大腸菌ホスファチジルエタノールアミン
ウシ心臓ホスファチジルエタノールアミン
脳ホスファチジルエタノールアミン
ウシ肝臓ホスファチジルエタノールアミン
卵ホスファチジルエタノールアミン
ウシ肝臓ホスファチジルイノシトール
大豆ホスファチジルイノシトール
脳ホスファチジルセリン
大豆ホスファチジルセリン

重合可能脂質：
１，２−ジ−１０，１２−トリコサジノイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホコリン（ＤＴ
ＰＣ）
１，２−ジ−１０，１２−トリコサジノイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエタノールア
ミン（ＤＴＰＥ）
１−パルミトイル−２，１０，１２−トリコサジノイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホエ
タノールアミン（ＰＴＰＥ）
ＤＣ８，９ＰＣ［ｌ，２−ビス（１０，１２−トリコサジノイル）−ｓｎ−グリセロ−３
−ホスホコリン］
ｄｉＰｈｙＰＣ［ｌ，２−ジフィタノイル−ｓｎ−グリセロ−３−ホスホコリン］

水処理システムおよび水濾過装置
本発明の一つの実施形態は従来のフィルターディスクの形態を有するが、それは機能が
容易に評価されるためである。そのようなディスクを作製するために、機能性アクアポリ
ンタンパク質を含むリン脂質膜の二分子層が、ラングミュア−ブロジェットトラフを用い
て、２５ｍｍの市販の限外濾過ディスク表面上に累積される。本発明の好ましい実施形態
において、従来の膜とともに水膜はらせん状に巻かれ、図１０および１１に参照されるよ
うに、らせん巻きＲＯモジュールを形成する。

フィルターディスクは入口および出口を有する密閉されたチャンバ内に設置され、例え
ばフィルターディスクチャンバがチューブを通じてポンプを有する水源に連結され、該ポ
ンプが強制的に加圧された源水を膜を通して出口から排出する。純粋な水だけが膜の反対
側へ通り抜けるとき、装置は機能的であると考えられ、汚染された溶質は元のチャンバ内
で濃縮されている。汚染された溶液は、純粋な水がより多くの溶解粒子を有するチャンバ
の区画内に流れ込む自然な傾向に打ち勝つために、その結果飲用水において約１０ｐｓｉ
である水の浸透圧に打ち勝つために、加圧される必要がある。浸透性を逆にして、汚染さ
れた溶液から純粋な水を分離することが、本発明の水膜の目的である。システムのこの傾
向、または浸透圧、は１平方インチあたりのポンド（ｐｓｉ）で表現されてよい。例えば
、海水の浸透圧は３６０から４００ｐｓｉの範囲である。

装置がこれらのタイプの圧力に耐えることを可能にするために、幾つか使用可能な方法
がある。一つの方法は、非毒性かつ容易に除去可能な溶質を新鮮な水のチャンバに高濃度
で添加して、チャンバ加圧に起因して逆浸透が起こっている間、膜を通る通常の浸透を促
すことである。また、逆浸透に必要とされる圧力は、連続して汚染物質の濃度が低くなる
、密閉され連結された段階的なチャンバで複数のアクアポリン膜を使用することによって
低減される可能性がある。チャンバの各対において水を精製するのに必要とされる結果的
な圧力は、逆浸透に必要な全圧力の一部である。従って、各膜は小さな圧力に耐えるのみ
であり、損なわれずに維持される可能性が高くなる。そこで、各チャンバ対間の濃度の差
が、１００％である代わりに、単に１０％であるならば、上述の高い圧力の１０％だけが
各接続部で源水を精製するのに必要とされるだろう。純粋な水は一定の圧力および流れで
最終チャンバにおいて連続的に製造されるだろう。

アクアポリン逆浸透膜は、いくつかの異なる種類の汚染物質を有する水を単一の段階の
みで精製することができる。従来の高純度システムは、精製水が製造され得る以前に、連
結して使用されるため配置される水軟化剤、炭素フィルタ、イオン交換器，ＵＶまたは化
学殺菌、および二経路逆浸透膜を含んでよい幾つかの要素を必要とする。この複雑な設備
は、アクアポリン膜が可能であるように、溶解された気体または１５０ダルトン未満の物
質を源水から除去することができない。さらに、これらの部品全てのメンテナンスが必要
である。ＵＶバルブは交換およびエネルギーを必要とする。イオン交換器はそれらが充満
されたら化学的に再生される必要がある。軟化剤は塩を必要とする。炭素および逆浸透カ
ートリッジはそれらが汚れたときには交換されなくてはならない。最後に、単一段階装置
は、非常に少ない空間および典型的な精製システムよりも非常に少ない重量を必要とする
であろうし、この利点は可搬性の本発明のアクアポリン水膜を含む装置によって可能にな
る。

アクアポリン膜は、従来のシステムと比較して迅速である。従来の高速逆浸透ユニット
は１分あたり約２８．４リットル（７．５ガロン）のきれいな水を製造することができる
。現在の研究は、アクアポリン飽和脂質膜（０．０１７７ｍｍ^２）を通過する水分子の動
きが５４μｍｏｌ／ｓｅｃであることを示す（Ｐｏｈｌ，Ｐ．，Ｓａｐａｒｏｖ，Ｓ．Ｍ
．，Ｂｏｒｇｎｉａ，Ｍ．Ｊ．，およびＡｇｒｅ，Ｐ．，（２００１），Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
９８，ｐ．９６２４−９６２９）。このように、理論的な１．０ｍ^２の表面積を有する
アクアポリン逆浸透膜は、１分あたり純粋な水を３２９５リットル濾過できる可能性があ
る。その速度は通常の精製器と比較して１１６倍以上である。

本発明は、さらなる態様において、化学的、放射線学的、生物学的、および／または粒
子状の汚染物質をそこから除去するために水を処理するシステムに関し、そのようなシス
テムは外部水源と連結するため配置された入口を有する一体のハウジングを備えるもので
あって、前記一体のハウジングは内部に一つ以上の水濾過ユニットを配置されていて、該
水濾過ユニットは外部水源からの水を処理して超純水流を製造するため配置された本発明
の水膜を備え、そのような一体のハウジングは前記超純水をそこから排出する出口を備え
る。そのような処理システムの例は逆浸透濾過デバイスである。

しかしながら、本発明の水膜を機能性アクアポリンを含む他の膜と交換することもまた
可能である。例えば米国特許出願公開第２００４／０４９２３０号明細書に教示されるア
クアポリン含有膜である。そのような水処理システムおよびここで記載される濾過装置は
、アクアポリン含有膜がどのようなものであるかに関わらず、それら自身が当然に独創的
である。

従って、本発明は塩水源から脱塩水を製造するための逆浸透水濾過装置も含み、前記脱
塩水は灌漑農業のためにおよび／または可搬性の水として有用であって、最終的な逆浸透
濾過膜の少なくとも一つが、本発明の膜のような機能性アクアポリン水チャンネルを含む
水膜によって代替されている。同様に、本発明は原水源から超純水を製造するための逆浸
透水濾過装置も含み、前記超純水は半導体産業および／または製薬産業において有用であ
って、最終的な逆浸透濾過膜の少なくとも一つが、機能性アクアポリン水チャンネルを含
むそのような水膜によって代替されている。また、本発明は地方自治体の水産業、化学産
業、飲用水産業、食品産業、電子産業、オイルおよびガス産業、精製産業、パルプおよび
製紙産業、金属産業、鉱業、および電力産業において原水源から純水を製造するための逆
浸透水濾過装置に関し、最終的な逆浸透濾過膜の少なくとも一つが、機能性アクアポリン
水チャンネルを含むそのような水膜によって代替されている。典型的には、水の流れを駆
動するために前記水膜の下流側に浸透圧が適用される。浸透圧は典型的に精製される水源
と比較して大きな浸透圧を有する濃縮された溶液から生じる。

本発明は、尿、乳および汗／発汗などの体液から抽出および回収するための水濾過装置
にも関し、本発明の水膜などの機能性アクアポリン水チャンネルを含む。

本発明の水精製システム／濾過装置は、水流を前処理し、そこから粒子状汚染物質の少
なくとも一部を除去するため、水膜ユニットの上流に粒子濾過モジュールをさらに含んで
よい。

そのような粒子濾過モジュールは下流の水濾過ユニットの負荷を低減するよう機能して
、水流が十分に流れるために必要とされる圧力をより低くして、それによってシステム全
体のエネルギー消費およびその操作効率をよくする。

粒子濾過モジュールは好ましくは（ａ）中空繊維膜セパレータ、および（ｂ）限外濾過
エレメントからなる群から選択される一つ以上の濾過エレメントを含む。複数の中空繊維
膜セパレータおよび限外濾過エレメントは交互に使用されてよく、そのような特定の濾過
モジュールの粒子除去性能を最大にする。

濾過エレメントは、好ましくは、従来技術でよく知られる、タンジェンシャルフローま
たはクロスフロー濾過装置を含み、濾過表面の障害を防ぐ。

そのような粒子濾過モジュールが個々のフィルタにおいて不具合を生じる脆弱性を低減
するために、および個々のフィルタの洗浄およびメンテナンスの間のシステム停止時間を
低減するために、そのような粒子濾過モジュールは好ましくは複数の平行に配列された濾
過エレメントを備え、それらは各々水流に対して独立した濾過経路を提供する。

そのような粒子濾過モジュールの上流の予備的濾過が用いられることが好ましく、水流
から大きな粒子（固体粒子、胞子、およびバクテリア）を濾過するように、および下流の
粒子濾過モジュールにおいて使用されるフィルタの寿命を延ばすように、例えば約１０μ
ｍから約２０μｍの範囲の多孔性を有してよい。

そのような汚染物質除去ユニットは、水流からイオンを除去するためナノ濾過（ＮＦ）
モジュールまたは逆浸透（ＲＯ）モジュールを含んでよく、ＲＯモジュールはそのような
プロセスに従来使用されてきて効果的であることがわかっている。さらにナノ濾過はＲＯ
モジュールと比較して必要とされる圧力、エネルギーおよび水消費が少ない。

本発明の水処理システムは水力溜タンクをさらに含んでよく、システム内で均一の圧力
を保持し、下流の水消費設備に対して実質的に一定の水供給を提供する目的でその内部に
は処理された水が流される。

本発明の水処理システムは、水質監視モジュールをさらに含んでよく、該モジュールは
処理される水流の水質の指標である一つ以上の変数（例えば、塩素濃度、ｐＨ値、伝導性
、全有機炭素、溶解酸素、化学的酸素要求量、濁度および放射能を含むが、これらに制限
されない）を連続的に監視し、そのような変数に関して前もって得られた値から決定され
たベースライン値とそのような値とを比較し、そのようなベースライン値からの重大な偏
差を同定し、前記偏差を示す出力信号を作り出す。そのような値の正確な測定を行なうた
めに自動センサが使用されてよく、定期的に不連続な水サンプルを収集するためにサンプ
ラーが使用されてよく、それによって偏差が起こったとき、時間枠からサンプルを分離す
ることを可能にする。そのような偏差の原因となった水中の汚染物質を同定するために、
そのようなサンプルに対して様々な分析手順がその後実行されてよい。この水質監視モジ
ュールは、必要なときに水処理システムを起動または停止するように、および／または水
質が予め決められた飲用水品質基準に達していないことを関係者に通報するようにさらに
機能してよい。

本発明の水処理システムは固定されるか、または可搬性のどちらであってもよい。それ
は、好ましくは、車両輸送および配置用に構築されおよび準備され、離隔された場所に水
供給を提供するために使用されてよい。

本発明のシステムは、システムの信頼性およびシステム全体の性能を高めるために、平
行および／または連続的に冗長な方法で、様々な要素で構成されることができる。ここで
記述されるシステムおよび実施形態は水から汚染物質を完全に除去するために機能的冗長
性を使用してよいことはさらに認識される。

このシステム／水濾過装置は水を精製するのに有用であり、上述のように、本発明は精
製された水を調製する方法にも関し、前記方法は水が本発明のシステム／装置を通過する
ことを含む。このように、得られた水は、例えばイオン、粒子、有機物およびコロイドを
基本的に含まない。なぜなら、それらの部分は装置中に保持されているためである。

本発明の疎水性膜
上記本発明の第２の態様、すなわち脂質単分子層が両側に並ぶ中間支持層に疎水性材料
を含む水膜、の開示から分かるように、均一の形状およびサイズを有する孔が均一に分散
された疎水性膜の形態で材料を調製することが可能である。そのような疎水性膜はそれ自
体独創的である。

従って、本発明は複数の孔を含む疎水性重合体膜にも関し、前記孔は膜内で均一に分布
し、膜の二つの表面間の中間平面において実質的に全てが実質的に同じ幾何学形状である
。そのような孔の各々が十分に大きな開口領域を有して、水蒸気の通過を可能にするが、
液体の水の通過を防ぐよう十分小さく、例えば面積は１００ｎｍ^２−１ｍｍ^２の範囲であ
り、膜はＧｏｒｅｔｅｘ（登録商標）などの材料と同じように機能する、すなわち膜は通
気性であるにもかかわらず防水である。孔のサイズおよび形状が非常によく制御されてい
るので、本発明の膜はＧｏｒｅｔｅｘ（登録商標）膜のような材料より優れていると考え
る。

ここでの意味で用語「疎水性膜」は実質的に平面の疎水性材料を示す。平面材料に曲面
形態（すなわち、材料が軸の周囲に巻かれる場合）を付与することができるように膜は典
型的には柔軟であり、結果的に疎水性膜を服の繊維および他の柔軟な構造体の一部として
、適切なものにする。

孔は典型的には、μｍの範囲など、ｎｍからｍｍの範囲において最大の断面長さを有し
、膜は典型的にはｍｍからμｍの範囲の厚みを有する。

典型的には、孔の幾何学的形状は円および楕円から選択される。フィルム内の孔の導入
に関してレーザ装置を使用するとき、どちらの形状も容易に得られ、例えば円形の孔は静
止レーザビームを用いて得られ、それに対して露出の間レーザビームに対して膜を動かす
ことによって（膜またはレーザビームのどちらかの動きによって）、楕円形または棒形状
の孔が与えられる。好ましい実施形態において、全ての孔が同じ寸法を有する。膜材料は
典型的には本発明の第２の態様の開示に関連して上述の疎水性材料から選択される。

本発明は特定の実施形態に関して記述されてきたが、多くの変更、修正、および実施形
態が可能であり、従って、そのような全ての変更、修正、および実施形態は本発明の精神
および範囲の範疇にあると解釈されることは理解されるであろう。ここで引用される全て
の参考文献は参照のためここに全て組み込まれる。

本発明のさらなる態様、特徴および実施形態は、これ以降の開示および添付されるクレ
ームからより完全に理解されるだろう。

例１
ＤＰＰＣ脂質ベシクル内のＡＰＱ−１の再構成（タンパクリポソーム）

本発明による水膜を調製するのに以下の手順が使われてきた。
１．小さな単層ベシクルの調製（ＳＵＶ）
ａ．乾燥ＤＰＰＣ脂質はミリＱ水に懸濁され、１．３−１．５ｍＭの濃度にされる。
ｂ．懸濁液は５５℃で１時間放置することによって水和され、多重層ベシクルとなる（Ｍ
ＬＶ）。
ｃ．ＳＵＶは二つの１００ｎｍポリカーボネートフィルタを通してＭＬＶ溶液を１２回押
し出すことによって調製される。
ｄ．ＳＵＶ溶液は５５℃で保存される。

２．ＢｉｏＢｅａｄｓ^ＴＭの調製（ポリスチレンビーズ）
ａ．約４ｇのＢｉｏＢｅａｄｓ^ＴＭはミリＱ水で５回すすがれる。
ｂ．すすがれたＢｉｏＢｅａｄｓ^ＴＭは水を吸入しながら１時間超音波で分解される。

３．再構成
ａ．適当な体積のＳＵＶ溶液がエッペンドルフ管にピペットで移される。
ｂ．２０％ Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ−１００が５０μｌ添加される。
ｃ．Ｚｅｉｄｅｌ ｅｔ ａｌ．（１９９２）によって記述された方法に従って精製され
たリン酸緩衝液内の変性された形態のＡＱＰ−１（濃度０，５ｍｇ／ｍｌ）１０μｌが添
加される。
ｄ．最終的な体積が２００μｌになるまでミリＱ水が添加される。
ｅ．溶液は１５分間振とうする間室温に保たれる。
ｆ．約７５ｍｇのすすがれたＢｉｏＢｅａｄｓ^ＴＭが溶液に加えられ、その後３０−４５
分間振とうされる間保温される。
ｇ．溶液は清浄なエッペンドルフ管内部にピペットで移される。
ｈ．段階ｆ．−ｇ．は３回繰り返される（合計４回のＢｉｏＢｅａｄｓ）。
ｉ．タンパクリポソームの準備ができる。

図９はマスコバイト上のＤＰＰＣ膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像、およびＤＰＰＣ膜
中の再構成されたＡＱＰ１の像を示し、再構成が目的どおりに行なわれていること、およ
び結果として得られるベシクルの支持体二分子層が形成されていることを示す。写真中の
小さな円形構造の面積は写真中で測定すると約３６ｎｍ^２である。これは脂質二分子層内
のタンパク質の表面積とよく対応する。平均（三つの異なる領域からの異なるサイズの六
つの像）では、タンパク質が表面の４８％、および脂質が５２％を覆っている。脂質の面
積を０．５ｎｍ^２と仮定すると、計算された脂質−たんぱく質比（ＬＰＲ）は７７である
。支持された二分子層はＬＰＲが５０で調製されたタンパクリポソームのベシクル融合に
よって形成された。

例２
図１によって概略説明される、水膜を得るための多孔質マスコバイト上の脂質二分子層
および場合によりさらなる複数の二分子層の形成
１．マスコバイトマイカ切片（約１ｃｍ^２）はテープに切断される。
２．切断直後に例１のタンパクリポソーム溶液２５μｌがマイカ表面に塗布される。
３．サンプルは室温（２１℃）で１０分間保温され、融合された二分子層を形成する。
４．サンプルは保温後ミリＱ水で７回すすがれ、過剰な非結合ベシクルが除かれる。
５．最後に新たに切断されたマスコバイトマイカの第２の切片が形成された脂質二分子層
の上に累積される。

例３
大腸菌脂質抽出物ベシクルにおけるＡＱＰ−１の再構成
大腸菌全脂質抽出物のクロロホルム溶液はＡｖａｎｔｉ Ｐｏｌａｒ Ｌｉｐｉｄｓ(
アラバマ州アラバスター)から入手された。溶媒（クロロホルム、エタノール、メタノー
ル、デカン）は全てシグマ−アルドリッチ社（ミズーリ州セントルイス）から購入された
。ＳＭ−２ＢｉｏＢｅａｄｓはＢｉｏＲａｄ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ（カリフォルニ
ア州ハーキュリーズ）から購入された。全ての調製に使用された水は超純水Ｍｉｌｌｉ−
Ｑ水（１８．２ＭΩｃｍ^−１）であった。ウシ赤血球から精製されたアクアポリン−１は
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＡａｒｈｕｓのＤｒ． Ｊａｎ Ｅｎｇｈｉｌｄにより変
性タンパク質の懸濁液として得られた。

クロロホルムを脂質溶液から蒸発させ、乾燥した脂質膜は５５℃で３０分間１００ｍＭ
のＫＣｌで水和された。溶液はボルテックスされ、Ｌｉｐｅｘエクストルーダ（Ｎｏｒｔ
ｈｅｒｎ Ｌｉｐｉｄｓ，Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ，ＣＤ）内で二つの１００ｎｍポリカーボ
ネートフィルタを１２回通過させることによって小さな単層ベシクル（ＳＵＶ）が形成さ
れた。再構成混合物は最終濃度１．２５％（ｗｔ／ｖｏｌ）になるまでＴｒｉｔｏｎ Ｘ
−１００（シグマ）を添加し、その後脂質−タンパク質比（ＬＰＲ）が１０００：１にな
るまでＡＱＰ−１を添加することによって調製した。タンパクリポソームは界面活性剤を
除去することによって形成された。これは疎水性ＢｉｏＢｅａｄｓ（ＳＭ−２）に吸着す
ることによって実行された。タンパクリポソームは調製したその日か、または翌日のどち
らかに使用された。溶液は実験と実験との間は４０℃で保存された。

例４
平面状の二分子層の形成および電圧固定法：イオン伝導性を増加することなく脂質二分
子層内部に組み込まれたＡＱＰ−１
電圧固定法は脂質（または細胞膜）の電位Ｖをあらゆる所望のレベルに制御（または「
固定」）する。ここで使用される方法は、二つの水溶液の間の仕切りにおいて形成された
二重膜を横切る電位を測定する。ＡｇＣｌコート銀電極が一つのチャンバに配置され、こ
の電圧を保持されるべき電圧（コマンド電圧と呼ばれる）と電子的に比較する。クランプ
回路はその後他の電極を通じて他のチャンバに電流を戻す。この電子的フィードバック回
路は、透過面が変わったときでさえ二層間の電位を所望のレベルに維持する。最も重要な
ことに、この装置は与えられた電圧に二層間の電位を保持するために必要とされる電流Ｉ
の同時測定を許容する。従って、電圧固定技術は膜電位がどのように膜を横切るイオン電
流に影響するかを示す。この影響は電流−電圧（Ｉ／Ｖ）関係で表現される。

平面状の二分子層は大腸菌のｎ−デカン溶液（２．５％ ｗｔ／ｖｏｌ）（アラバマ州
アラバスターＡｖａｎｔｉ Ｐｏｌａｒ Ｌｉｐｉｄｓ）から、実験日に調製されたバッ
ファリングされていない０．１ＭＫＣｌの二つの水溶液を分離するテフロン（登録商標）
仕切りの孔（直径１．３ｍｍ）を通して形成された。二層Ｉ／Ｖ実験はＡｘｏＰａｔｃｈ
２００ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（カリフォルニア州サニーベール、Ａｘｏｎ Ｉｎｓｔｒｕ
ｍｅｎｔｓ）を用いて、ＡｇＣｌコート銀ワイヤを電極として使用して、２２℃で行なわ
れた。Ｉ／Ｖプロトコルが構築され、データはＣｌａｍｐｅｘ ９．２ソフトウェア（カ
リフォルニア州サニーベール、Ａｘｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を用いて記録された
。データは、８極ベッセルフィルタ(マサチューセッツ州ヘイバリル、Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ Ｄｅｖｉｃｅｓ)コーナー周波数５００Ｈｚ（−３ｄＢ）において低域フィルタリン
グされ、１６ビットＡＤ−変換（ＤｉｇｉＤａｔａｌ３３２Ａ、カリフォルニア州サニー
ベール、Ａｘｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）後分析のためＰＣ（テキサス州オースチン
、Ｄｅｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ）に保存された。データはＣｌａｍｐＦｉｔ ９．２（
カリフォルニア州サニーベール、Ａｘｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）およびＯｒｉｇｉ
ｎＰｒｏ７．５ （マサチューセッツ州ノースハンプトン、ＯｒｉｇｉｎＬａｂ）を用い
て分析され、表示された。

二分子層の形成は冷光源（ＩｎｔｒａＬｕｘ ５０００、Ｖｏｌｐｉ、ＣＨ）を備えた
実態顕微鏡（Ｚｅｉｓｓ）を用いて監視された。仕切り孔に脂質を累積した後脂質単分子
層からのニュートニアン回折色は次第に消え、約１０分後より厚い脂質／デカントーラス
によって囲まれた透明な「黒色」脂質膜が形成された。この薄化も時間的推移においてゼ
ロ電位ＩＲＭＳにおける二層間電流の二乗平均平方根で反映されている。初期にはＩＲＭ
Ｓは約１．６ｐＡであったが、定常値約６ｐＡまで上がり、安定な二分子層が形成された
ことを示した。二分子層の直径は約１２００μｍであった。二分子層の形成の後、段階的
プロトコルを用いて二層間電流が得られ、電位は−１００ｍＶから＋９０ｍＶまで増分１
０ｍＶで段階的に変化した。各段階は１０００ｍｓ継続し、各段階の間も１００ｍｓであ
った。

ＡＱＰ−１はＡＱＰ−１含有ベシクルを二分子層形成溶液（２：１ ｖｏｌ／ｖｏｌ）
に添加した後平面状二分子層に組み込まれ、同様の結果が得られた。

ＡＱＰ−１の脂質二重層に対する組み込みはイオン電流を変化させないが、対照と比較
してＡＱＰ−１含有二分子層の時定数を変化させた。一次近似に対して後者の測定結果は
トーラスおよび二分子層の有効誘電率における変化であると解釈されてよい。炭化水素材
料に対するＡＱＰ−１タンパク質材料の誘電率が低いので、二分子層およびトーラスの双
方の時定数が低くなるのであろうと思われる。

例５
浸透勾配研究：低浸透圧性側の未攪拌層内のイオン濃度の増加をもたらす浸透勾配を与え
られた脂質二分子層内部に組み込まれたＡＱＰ−１
ＡＱＰ−１を含む脂質二分子層の形成の後、浸透勾配に駆動された膜を横切る水分流動
が、膜近傍の未攪拌層内のＫ^＋イオン濃度の変化を測定することによって観察された。

二連型Ｋ^＋電極は１．２ｍｍＯＤガラスキャピラリー（コーニング １２０Ｆ）を用い
てＺｅｕｔｈｅｎの技術によって構築された。

二つのバレルからの電極電圧はＰＣ（Ｄｅｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ａｕｓｔｉｎ，Ｔ
Ｘ）に接続されたＤＵＯ７７３ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＷＰＩ）を用いて、１２ビットＢ
ｉｏＬｏｇｉｃ １４０１＋ ＡＤ／ＤＡ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ，Ｃ
ｌａｉｘ，Ｆｒａｎｃｅ）を用いて記録された。

記録は、ｐＨ７．２において２０ｍＭのトリス［ヒドロキシメチル］−アミノエタンヒ
ドロクロリド（ＴＲＩＳ）（ミズーリ州セントルイス、Ｔ３２５３）でバッファリングさ
れた１００ｍＭのＫＣｌを含むバック（シス）チャンバ内に配置された二連型電極で実行
された。電極ホルダは水溶液表面に関して４５°の角度で入るようにシスチャンバ（ｃｉ
ｓ ｃｈａｍｂｅｒ）に設置され、水圧極微操作装置（Ｄａｖｉｄ Ｋｎｏｐｆ Ｉｎｓ
ｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｍｏｄｅｌ １２０７Ｂ）を用いて最小ステップ長０．２５μｍで操
作された。二分子層形成および電極のおおよその位置はセクション５．３に記述した実態
顕微鏡を用いて監視され、記録は脂質の累積後１０−２０分で始まった。二分子層−電極
距離における全体的な精度は約±７μｍであると判断され、絶対的な距離は二分子層と接
触するときの電極電位の大きな変化によって判断された。二分子層を横切る浸透勾配は前
（トランス）面にｐＨ７．２において２０ｍＭのＴＲＩＳでバッファリングされた４Ｍの
尿素（４５２０４２Ｖ、ＢＤＨ、Ｐｏｏｌｅ、ＵＫ）を含むＫＣｌ溶液を有することによ
って誘起された。

ＡＱＰ−１を組み込んだ脂質二重層が、二分子層を横切る浸透勾配の存在下で水の流れ
を誘起したことが観察された。

脂質二分子層内に組み込まれたＡＱＰ−１は、浸透勾配の存在下で、バルクのＫ^＋濃度
と比較して、低浸透圧性側の二分子層から２０μｍ内部でＫ^＋イオン濃度を約８％増加さ
せた。

膜は４Ｍ浸透勾配を支持することができた。

例６
本発明による膜を含むＵＰＷシステム

図１０および１１は、本発明の一つの実施形態による水精製装置を示す。図１０は要素
の概略的な透視断面図であり、図１１は図１０のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

エレメントはエレメントの中央に配置された中空パイプ１を有し、その表面には複数の
貫通孔１ａが形成される。逆浸透膜２、透過された液体通路部材３、および供給液体通路
部材４は、中空パイプ１の以下に記載した方法で外表面周囲に巻かれる。

各々の逆浸透膜は全体としてバックのような形状を有し、透過された液体通路部材３が
その中に配置される。バック形状の逆浸透膜２は中空パイプ１の外部表面に取り付けられ
、それらの開口部２ａは中空パイプ１内に形成された貫通孔１ａを囲み、逆浸透膜２およ
び透過された液体通路部材３の内部が貫通孔１ａと連通するようにする。

各供給液体通路部材４はそこに結合される逆浸透膜２の間に配置され、液体がそこを通
って通過できるように構成された枠部材５は膜の両端および通路部材アセンブリに取り付
けられ、それによってらせん構造になる。

上述の要素は圧力ベッセル内に配置され、所定の圧力においてその一端（上流側）で供
給液体６が供給されるように合わせられる。

供給液体６が供給液体通路部材４に沿って流れるとき、逆浸透膜２によって逆浸透分離
を受け、透過液体と溶質とに分離される。逆浸透膜２を通過し溶質濃度が低い透過液体は
、貫通孔１ａ内部に流れ、中空パイプ１内に集まる。透過液体６ａはその後要素の下流側
から取り出される。

逆浸透膜２を通過しなかった供給液体は、下流側に向かって供給液体通路部材４に沿っ
て流れ続ける。流れる過程では、供給液体は供給液体から分離された溶質を取り込み、膜
表面を離れて、高い溶質濃度を有する濃縮された液体６ｂになる。

前記要素を操作するにあたって、濃度分極に起因して要素の性能が低下するなどの重大
な問題がある。

濃度分極は、例えば不純物および供給液体内に含まれる汚染物質などの付着物質が供給
液体通路部材４と接触される逆浸透膜２の膜表面上で濃縮され、供給液体中の溶質および
付着物質濃度が膜表面上でより高くなる現象である。結果として、浸透圧が高くなる。

濃度分極が起こるとき、透過液体の品質は低下し、ゲルおよび薄膜など不純物が膜表面
上に沈殿する。このために、逆浸透膜はその性能を発現させることができず、要素の性能
は低下する。

濃度分極の発生は、膜表面上に供給液体の乱流を作ることによって抑制することができ
る。例えば、乱流は、より厚みの小さい供給液体通路部材４を用いて膜表面上の供給液体
の線形速度を増加することによってより簡単に発生し、濃度分極層は薄くなり得る。

しかしながら、より厚みの小さい供給液体通路部材４を用いると、供給液体通路部材４
によって画定される通路が供給液体内の、例えば不純物および微生物などの、付着物質で
容易に詰まる。その結果、要素の性能は低下し、供給液体内の圧力損失は増大する。透過
液体の品質および量を保持するため、供給液体の操作圧力は増加される必要があり、従っ
て操作に電力を必要とする高圧ポンプおよび圧力パイプが与えられる必要があり、結果的
に液体の製造コストを増加する。

逆浸透膜の少なくとも一つは本発明による水膜であり、アクアポリンおよび／またはア
クアグリセロポリンチャンネルを含む。

参考文献：
１．Ａｇｒｅ，Ｐ．，Ｍ．Ｂｏｎｈｉｖｅｒｓ， ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｂｏｒｇｎｉａ．
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ｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ ９８，１３９８−１４０３．
２３．Ｉ．Ｒｅｖｉａｋｉｎｅ ａｎｄ Ａ．Ｂｒｉｓｓｏｎ． Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ
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ｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ． Ｌａｎｇｍｕｉｒ，１６：１８０６−１
８１５，２０００．
２４．Ｈ．Ａ．Ｒｉｎｉａ，Ｒ．Ａ．Ｋｉｋ，Ｒ．Ａ．Ｄｅｍｅｌ，Ｍ．Ｍ．Ｅ．Ｓｎｅ
ｌ，Ｊ．Ａ．Ｋｉｉｌｉａｎ，Ｊ．Ｐ．Ｊ．Ｍ． ｖａｎ ｄｅｒ Ｅｅｒｄｅｎ， ａ
ｎｄ Ｂ．ｄｅ Ｋｒｕｉｊｆｆ． Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈｌｙ
ｏｒｄｅｒｅｄ ｓｔｒｉａｔｅｄ ｄｏｍａｉｎｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｒａ
ｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｅｐｔｉｄｅｓ ｉｎ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｐｈｏｓｐｈａ
ｔｉｄｙｌｃｈｏｌｉｎｅ ｂｉｌａｙｅｒｓ． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，３９：５
８５２−５８５８，２０００．
２５．Ｓａｋｍａｎｎ，Ｂ． ａｎｄ Ｅ．Ｎｅｈｅｒ．１９９５． Ｓｉｎｇｌｅ ｃ
ｈａｎｎｅｌ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ２ｅｄ． Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ
Ｙｏｒｋ Ｓａｐａｒｏｖ，Ｓ．Ｍ．，Ｄ．Ｋｏｚｏｎｏ，Ｕ．Ａ．Ｐ．Ｒｏｔｈｅ，
ａｎｄ Ｐ．Ｐｏｈｌ． ２００１． Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ｉｏｎ Ｐｅｒｍｅａｔｉ
ｏｎ ｏｆ Ａｑｕａｐｏｒｉｎ−１ ｉｎ Ｐｌａｎａｒ Ｂｉｌａｙｅｒｓ． Ｊ．
Ｂｉｏｌ． Ｃｈｅｍ．２７６：３１５１５−３１５２０．
２６．Ａ．Ｃ．Ｓｉｍｏｎｓｅｎ ａｎｄ Ｌ．Ａ．Ｂａｇａｔｏｌｌｉ． Ｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｃｏａｔｅｄ ｌｉｐｉｄ ｆｉｌｍｓ ａｎｄ ｄｏｍａ
ｉｎ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｆｏｒｍ
ｅｄ ｂｙ ｈｙｄｒａｔｉｏｎ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ，２０：９７２０−９７２８，２０
０４．
２７．Ｓｕｉ，Ｈ．，Ｈａｎ，Ｂ．Ｇ．，Ｌｅｅ，Ｊ．Ｋ．，Ｗａｌｉａｎ，Ｐ．， ａ
ｎｄ Ｊａｐ，Ｂ．Ｋ．（２００１）． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗ
ａｔｅｒ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＡＱＰｌ
ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅｌ， Ｎａｔｕｒｅ ４１４，８７２−８．
２８．Ｔａｊｋｈｏｒｓｈｉｄ，Ｅ．，Ｎｏｌｌｅｒｔ，Ｐ．，Ｊｅｎｓｅｎ，Ｍ．Ｏ．
， Ｍｉｅｒｃｋｅ，Ｌ Ｊ．，Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ，Ｊ．，Ｓｔｒｏｕｄ，Ｒ．Ｍ．，
ａｎｄ Ｓｃｈｕｌｔｅｎ，Ｋ．（２００２）． Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓ
ｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｑｕａｐｏｒｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｈａｎｎｅ
ｌ ｆａｍｉｌｙ ｂｙ ｇｌｏｂａｌ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｌ ｔｕｎｉｎｇ，
Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９６，５２５−５３０．
２９．Ｅ．Ｊ．Ｍ．ｖａｎ Ｋａｎ，Ｄ．Ｎ．Ｇａｎｃｈｅｖ，Ｍ．Ｍ．Ｅ．Ｓｎｅｌ，
Ｖ．Ｃｈｕｐｉｎ，Ａ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｂｅｎｔ， ａｎｄ Ｂ． ｄｅ Ｋｒｕｉｊ
ｆｆ． Ｔｈｅ ｐｅｐｔｉｄｅ ｅｎｔｉｂｉｏｔｉｃ ｃｌａｖａｎｉｎ Ａ ｉｎ
ｔｅｒａｃｔｓ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ａｎｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｌ
ｉｐｉｄ ｂｉｌａｙｅｒｓ． Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，４２：１１３６６−１１３
７２，２００３．
３０．Ｚｈｕ，Ｆ．，Ｔａｊｋｈｏｒｓｈｉｄ，Ｅ． ａｎｄ Ｓｃｈｕｌｔｅｎ，Ｋ．
（２００３）． Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐ
ｅｒｍｅａｔｉｏｎ ｉｎ ａｑｕａｐｏｒｉｎ−１． Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏ
ｕｒｎａｌ，８６，５０−５７．
３１．Ｚｅｉｄｅｌ，Ｍａｒｋ Ｌ．，Ｓｕｒｅｓｈ Ｖ．Ａｍｂｕｄｋａｒ，Ｂａｒｂ
ａｒａ Ｌ．Ｓｍｉｔｈ， ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ａｇｒｅ， Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒ
ｙ １９９２，３１，７４３６−７４４０．

１ 中空パイプ
２ 逆浸透膜
３ 透過された液体通路部材
４ 供給液体通路部材
５ 枠部材

Claims (17)

1. 脂質ベシクル中に再構成され、支持体層に変換され水濾過膜を形成したアクアポリン水
   輸送タンパク質を含む、水を濾過するための膜。
2. 前記アクアポリンが、植物由来である、またはそれらの混合物およびそれらのハイブリ
   ッドである、請求項１に記載の水を濾過するための膜。
3. 前記植物アクアポリンが、ＴＩＰ、ＰＩＰまたはＮＩＰアクアポリン、またはそれらの
   混合物およびそれらのハイブリッドである、請求項２に記載の水を濾過するための膜。
4. 前記アクアポリン水チャンネルが、アクアグリセロポリン（ＧＬｐＦ）、またはそれら
   の混合物およびそれらのハイブリッドである、請求項１に記載の水を濾過するための膜。
5. 前記アクアグリセロポリン（ＧＬｐＦ）は、ＧＬＰＡチャンネル、ＧＬＰＢ１チャンネ
   ル、ＧＬＰＢ２チャンネル、ＧＬＰＢ３チャンネル、またはＧＬＰＹ２チャンネル、また
   はそれらの混合物およびそれらのハイブリッドである、請求項４に記載の水を濾過するた
   めの膜。
6. 前記アクアポリンが突然変異タンパク質である、請求項１から５の何れか一項に記載の
   水を濾過するための膜。
7. 前記支持体層が、マイカ、マイカテープ、ポリスルホン、ＡｌＯ_２、またはセルロース
   などの重合体から選択される材料を含む、親水性膜表面を備える、請求項１から６の何れ
   か一項に記載の水を濾過するための膜。
8. 水溶性の物質または溶液から水を抽出するための、請求項１から７の何れか一項に記載
   の水を濾過するための膜の使用。
9. 前記水溶性の物質または溶液に溶解された溶質の濃度を増加する、請求項８に記載の使
   用。
10. 請求項１から７の何れか一項に記載の水を濾過するための膜を通じた水溶液の濾過を含
    み、イオン、粒子、有機物および／またはコロイドを保持し、それによって濾過物は本質
    的にイオン、粒子、有機物およびコロイドを含まない水である、超純水濾過物を調製する
    方法。
11. 浸透圧が前記水を濾過するための膜の下流側に適用されている、請求項１０に記載の方
    法。
12. 前記浸透圧が精製される水源よりも高い浸透圧を有する濃縮された溶液に由来する、請
    求項１１に記載の方法。
13. 非毒性かつ容易に除去可能な溶質を新鮮な水のチャンバに高濃度で添加して膜を通る通
    常の浸透を促す、請求項１２に記載の方法。
14. 尿、乳および汗／発汗などの体液から水を抽出および再生するための水濾過装置であっ
    て、機能性アクアポリン水チャンネルを含む請求項１から７の何れか一項に記載の水を濾
    過するための膜を備えた水濾過装置。
15. 支持された二分子層上に一連の崩壊するベシクルにより形成された別個の２Ｄ配列の複
    数層の積層体を含み、前記ベシクルが適切なアクアポリンと再構成される、請求項１から
    ７の何れか一項に記載の水を濾過するための膜を含む水濾過単位装置。
16. 積層単位装置が、安定させる膜または安定させる重合体マトリックス内部に組み込まれ
    ている、請求項１５に記載の単位装置を含む水濾過メッシュ。
17. 前記別個の単位が自己組織化プロセスを通じてその後綴じられる、請求項１６に記載の
    水濾過メッシュ。