MX2011003641A - Membrana biomimetica formada de conjugados de cadena de vesiculas. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para producir dispositivos hechos por el hombre que tienen las propiedades y funciones de membranas biológicas y proteínas de membrana, y para la estructura de tales dispositivos. En resumen, en un aspecto de la invención, las proteínas naturales o genéticamente modificadas se incorporan en una vesícula polimérica que se conjuga con una cadena para formar un conjugado de cadena de vesículas. La proteína modificada es preferible una proteína de transmembrana embebida en la pared de una vesícula polimérica. El conjugado de la cadena de vesículas después se forma en una membrana o tela delgada que tiene una amplia variedad de funcionalidades inherentes, incluyendo la habilidad de selectivamente transportar y/o filtrar compuestos entre fluidos. Al seleccionar proteínas con propiedades específicas, las membranas pueden fabricarse con una funcionalidad definida incluyendo el direccionamiento a escala molecular a través de fuerzas electrostáticas, electromagnéticas, y químicas.

Description

MEMBRANA BIOMIMETICA FORMADA DE CONJUGADOS DE CADENA DE VESICULAS Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para producir dispositivos hechos por el hombre que tienen las propiedades Y funciones de membranas biológicas y proteínas de membrana, y a la estructura de tales dispositivos.

Antecedentes de la Invención Las proteínas de membrana biológicas tienen una gran variedad de funciones, que incluyen actuar como bombas, canales, válvulas, transductores de energía, y sensores mecánicos, térmicos y eléctricos, entre muchos otros. Ya que estas proteínas son de nanómetros en tamaño y altamente eficientes, son altamente atractivos para utilizarse en dispositivos artificiales. Sin embargo, su entorno de membrana de líquido natural sufre de defectos tales como baja resistencia, necesidad de un entorno acuoso, y susceptibilidad a la degradación química o bacteriana.

Breve Descripción de la Invención En resumen, en un aspecto de la invención, las proteínas naturales o genéticamente modificadas se incorporan en una vesícula polimérica que se conjuga con una cadena para formar un conjugado de cadena de vesículas. La proteína modificada preferiblemente es una proteína de transmembrana Ref.219201 embebida en la pared de la vesícula polimérica. El conjugado de cadena de vesículas después se forma en una membrana o en una tela delgada que tiene una amplia variedad de funcionalidades inherentes, incluyendo la habilidad de selectivamente transportar y/o filtrar fluidos. Al seleccionar las proteínas con propiedades específicas, las membranas pueden fabricarse con una funcionalidad definida que incluye el direccionamiento de la escala molecular a través de fuerzas electrostáticas, electromagnéticas y químicas dirigidas.

Los conjugados de cadena de vesículas de la invención pueden diseñarse y crearse de tal forma que tienen las siguientes propiedades según se desee: la habilidad de formar membranas de un espesor deseado; la habilidad de formar membranas de una composición química deseada: la habilidad de formar membranas de alta resistencia; y la habilidad de aumentar la resistencia de las membranas ya formadas según se- desee. Una de las propiedades más importantes del conjugado de cadena de vesículas es que es capaz de alojar proteínas de membrana biológicas naturales en un estado funcional, y que estos conjugados son fuertes y de larga duración, y a través de la inserción de las proteínas de membrana biológicas en las vesículas, se crean dispositivos que tienen las propiedades y funciones de nuevas proteínas. Las vesículas adecuadas deben ser lo suficientemente similares a las membranas de lípido naturales para así permitir la fácil inserción de las proteínas cuando están apropiadamente orientadas y no comprometer la función natural de la proteína. Las vesículas que satisfacen estas condiciones preferiblemente se forman de polímeros lipidizados o copolímeros de tri-bloque que tienen propiedades generales de bloques exteriores hidrófilos y bloques interiores hidrófobos.

Un aspecto de la invención se refiere a la creación de conjugados de cadena de vesículas en donde la vesícula incluye dos diferentes proteínas las cuales, cuando actúan en concierto, dan como resultado un dispositivo que crea electricidad de la luz, la "Celda Biosolar" . Otro aspecto de la invención utiliza proteínas de transporte de agua para permitir la purificación del agua de fuentes de agua arbitrarias. Las descripciones de estos aspectos se dan a continuación.

Ya que las innovaciones tecnológicas dan como resultado la miniaturización del dispositivo que tiene electrónicos más pequeños, más ligeros y más eficientes, los avances en las fuentes de energía para estos dispositivos no han avanzado tan rápidamente. Las fuentes de energía en el siglo 21 enfrentan el reto de suministrar energía a un número en aumento de dispositivos mientras disminuyen el tamaño y peso. Además, los productos del mañana de la nanotecnología y la biotecnología requerirán suministros de energía que ni siquiera se asemejan a los usados hoy en día en la forma o función.

Existe una necesidad apremiante de fuentes de energía eléctricas más ligeras y más compactas para una amplia variedad de aplicaciones emergentes. Tales fuentes de energía permitirían un mayor intervalo de objetivos de emisión que los que se logran con la termología de baterías modernas, para maximizar la densidad de la energía lo cual minimiza el peso necesario a ser llevado con un requerimiento de energía dado. Los requerimientos de peso son cruciales ya que, para fuentes de combustibles convencionales, la fuente del combustible debe estar cerca del dispositivo y transportarse con el mismo, si es móvil. El agotamiento del combustible también es probable, y el reabastecimiento de ese suministro entonces es necesario. Esto puede colocar un límite en el intervalo y movilidad del usuario.

La ciencia contemporánea ha demostrado el excitante potencial prometedor en el desarrollo de la nanobiotecnología. La fabricación de dispositivos que utilizan componentes en donde no se desperdicia ningún átomo, promete eficiencia y la miniaturización del nivel más alto. Aunque los recientes desarrollos técnicos referentes a las fuentes de energía han sido prometedores, dan como resultado mejoras en aumento en tecnologías existentes. Las fuentes de energía idealmente adecuadas para la siguiente generación de dispositivos utilizarán nanobiotecnología para funcionar y también serán capaces de energizar la presente generación de dispositivos a un alto nivel de funcionamiento.

Sólo recientemente está disponible la tecnología y el conocimiento necesarios para desarrollar los primeros dispositivos de nanobiotecnología, y la ingeniería y la construcción de dispositivos híbridos orgánicos/inorgánicos a escala de nanómetros energizados por el combustible bioquímico ATP han sido reportados (Soong, R. K., Bachand, F. D., Neves, H. P., Olkhovets, A. G. , Craighead, H. G. , y Montemagno, C. D. (2000), Science 290, p. 1555 1558). La generación de ATP para utilizarse en estos dispositivos así como el uso de estos dispositivos para energizar otras máquinas ha motivado el interés en la transferencia de energía entre las escalas de macro- y nanómetro así como la interconversión de diferentes tipos de energía.

En otro aspecto de la invención, otras proteínas con diferente funcionalidad pueden utilizarse para transportar electrones/protones para permitir la transfección de energía eléctrica y química, y actuar como válvulas y sensores mecánicos.

En una forma preferida de la invención, la membrana se utiliza para proporcionar un material energizado de forma biosolar y de los que consisten, de conjugados de cadena de vesículas que tienen una vesícula que incluyen membranas de polímero biocompatibles embebidas con dos proteínas convertidoras de energía, bacteriorodopsina y citocromo oxidasa, que convertirán la energía óptica en la energía eléctrica y suministrarán esta energía a una carga externa. Un tremendo ahorro en peso resulta del uso de membranas poliméricas delgadas (menores de 1 µ?t?) así como la falta de la necesidad de llevar combustible con la fuente de energía. De esta forma, se puede desarrollar un sistema que pueda integrarse en la ropa y en las superficies de la mayoría de los materiales, proporcionando una fuente efectivamente sin peso (menor de 1 kg/m2) de energía con una eficiencia igual a o mayor que la que se logra con las celdas solares . El material de energía biosolar de esta forma, forma una fuente de energía orgánica/inorgánica híbrida que obtiene su energía de la luz .

El proceso de la presente invención se refiere a la fabricación de una tela delgada que consiste de un conjugado de cadenas de vesícula formado en membranas biomiméticas y películas delgadas. En una modalidad, la vesícula es una membrana de polímero biocompatible embebida con dos proteínas convertidoras de energía, bacteriorodopsina y citocromo oxidasa, que convertirán la energía en energía eléctrica y suministrarán esta energía a una carga externa. Estas proteínas han sido separadas y optimizadas a través de la selección natural durante millones de años para convertir la energía óptica y eléctrica en energía electromecánica. Incorporadas en un dispositivo, se proporcionan cantidades útiles de energía indefinida y lo suficientemente ligera, compacta, y robusta para aplicaciones que requieren alta movilidad en ambos entornos hostil y amistoso.

La bacteriorodopsina es una proteína bacteriana que transporta protones a través de una membrana celular después de la absorción de la luz. La citocromo oxidasa es una proteína de membrana que transporta protones utilizando electrones de alta energía. Estas proteínas se utilizan conjuntamente para transformar energía de luz en un gradiente de protón electromecánico que posteriormente se convierte en fuerza electromotriz utilizada para hacer un trabajo externo. Debido a que el dispositivo es una versión biológica de una celda solar convencional, no hay que llevar "combustible" junto con el suministro de energía, aumentando la densidad de energía significativamente. Además, la máxima energía teóricamente extraíble de tal dispositivo es infinita, ya que trabajará mientras el sol, o el dispositivo, lo haga. La densidad de la masa superficial estimada del dispositivo final es de aproximadamente 100 g/m2, proporcionando una fuente efectivamente sin peso de energía con una eficiencia igual a o mayor que la que logra con las celdas solares . La composición y dimensiones del material de esta celda biosolar finalmente darán como resultado grandes densidades de poder (>250 /kg) y grandes densidades de energía (800 Whr/kg durante 3 horas, 9500 Whr/kg durante 3 días, 32000 Wrh/kg durante 10 días) , suficiente energía a una cantidad significativa del equipo mientras efectivamente ocupan cero volumen y peso. Además, existen signaturas acústica, térmica, y electrónicas insignificantes que resultan de su operación.

Existen diferencias importantes entre la presente fuente de energía y las celdas solares convencionales, ya que la fuente presente se construye de proteínas producidas en masa y polímeros comunes, serán de peso ligero, flexibles, fuertes y pueden fabricarse en grandes cantidades a bajo costo. La escala en longitud relevante para este dispositivo es el espesor del empaque, <1 µ??. Las membranas en donde existen normalmente estas enzimas tienen un espesor de 5 nm. Las hojas laminadas de las celdas biosolares pueden incorporarse en la ropa y otras superficies que resultan en un costo sin peso, ya que deben utilizarse de todas formas. El diseño modular apropiado de las celdas que generan energía en una tela dará como resultado la habilidad de energizar la tela para sostener el daño significativo y aún retener su funcionalidad. La habilidad de intercambiar energía eléctrica y biomecánica permitirá la construcción de bio-dispositivos eléctricamente energizados así como la conversión del combustible bioquímico en electricidad. La habilidad de transformar energía entre las formas eléctrica, bioquímica y óptica permitirá el diseño y la producción de dispositivos nanobiológicos sin limitaciones a través de la energía de entrada .

Breve Descripción de las Figuras Lo anterior, y los objetos, características y ventajas adicionales de la presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente descripción detallada de sus modalidades preferidas, tomadas junto con las figuras anexas, en donde: La Figura 1 es una representación esquemática del conjugado de cadena de vesículas de acuerdo con la presente invención; La Figura 2 ilustra el proceso requerido para producir un conjugado de cadena de vesículas de acuerdo con la presente invención; La Figura 3 ilustra una modalidad de la presente invención en donde la superficie de la vesícula se funcionaliza para producir una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada con amina; La Figura 4 ilustra una modalidad alternativa de la invención que muestra una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada con metacrilato y una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada con NHS ; La Figura 5 ilustra el uso de celulosa como un componente de cadena de acuerdo con la presente invención; La Figura 6 ilustra el uso de carboximetil celulosa (CMC) como el componente de .cadena de acuerdo con la presente invención; La Figura 7 ilustra la conjugación de una vesícula preferida con una cadena preferida de acuerdo con la presente invención; y La Figura 8 ilustra el uso de aminoetil celulosa (Celulosa-AE) como el componente de cadena de acuerdo con la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención El contenido de la Patente de E. U. A. No. 7,208,089, titulada "Biomimetic membranes" , se incorpora expresamente en la presente por referencia. La Solicitud de Patente Internacional PCT/US08/74163 , titulada "Biomimetic Polymer Membrane that Prevents Ion Leakage" , se incorpora expresamente en la presente por referencia. La Solicitud de Patente Internacional, PCT/US087/74165 , titulada "Making Functional Protein- Incorporated Polymersomes" , se incorpora expresamente en la presente por referencia. La Solicitud Provisional de E. U. A. 61/055,207, titulada "Protein Self-Producing Artificial Cell, se incorpora expresamente en la presente por referencia.

La presente invención está dirigida a un conjugado de cadena de vesículas (1) como se ilustra en la Figura 1 que puede formarse en una membrana bxomimética o película delgada (8) . En una modalidad preferida, la película delgada (8) se forma tejiendo los conjugados de cadena de vesículas (1) en una tela. En una modalidad alternativa, la película delgada 8 se forma depositando los conjugados de cadena de vesículas (1) en una configuración "para fabricación de papel" en donde los conjugados se adhieren entre sí. La Figura 1 muestra una vesícula o polimersoma (2) con proteínas (7) de cualquier clase embebida en la membrana de vesícula. La vesícula (1) puede comprender un copolímero de tribloque ABA (3) con grupos funcionales entrelazados (4) que se enlazan a una cadena (5) . También se muestra una película, o membrana, (8) , que se forma a través de una pluralidad de tales conjugados de cadena de vesículas (1) . El conjugado se forma proporcionando una superficie de vesícula funcionalizada y una superficie de cadena funcionalizada como se muestra en la Figura 2.

La vesícula es preferiblemente un polímero lipidizado o un copolímero de tribloque, como se describe en la Patente de E. U. A. No. 7,208,089. La Figura 3 ilustra una modalidad de la presente invención en donde la superficie de la vesícula se funcionaliza para producir una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada en amina, ver Joon-Sik Park, et al. Macromolecules 2004, 37, 6786-6792, el contenido de la cual se incorpora expresamente en la presente por referencia.

La superficie de la vesícula puede funcionalizarse utilizando otras técnicas conocidas. La Figura 4 muestra una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada en metacrilato y una vesícula PEtOz-PDMS-PEtOz terminada en NHS . La funcionalidad seleccionada puede variar dependiendo del tipo de cadena utilizada en el conjugado de cadena de vesículas. Además, el tipo de polímero y la funcionalización pueden depender del tipo de proteína incorporada en la vesícula.

La cadena puede seleccionarse de una variedad de materiales disponibles que incluyen, pero no se limitan a, material de celulosa, carboximetilcelulosa (CMC) , aminoetilcelulosa (celulosa-AE) y material a base de nailon. El material de celulosa preferido es hidrófilo e insoluble en el agua y en la mayor parte de los solventes orgánicos . Como se muestra en la Figura 5, los múltiples grupos hidroxilo del material de celulosa forman enlaces de hidrógeno con moléculas de oxígeno en otra cadena, manteniendo las cadenas firmemente juntas lateralmente y formando microfibrillas con alta resistencia a la tensión. La celulosa cristalina se convertirá en amorfa en el agua bajo la presión de 25 MPa. Los grupos hidroxilo de la celulosa pueden parcial o completamente reaccionar con varios reactivos para dar derivados con propiedades útiles. Los ésteres de celulosa y los éteres de celulosa son los materiales comerciales más importantes, por ejemplo acetato de celulosa, etilcelulosa, metilcelulosa, hidroxipropil celulosa, carboximetil celulosa, hidroxipropil metil celulosa, e hidroxietil metil celulosa, para nombrar unos cuantos . Como se muestra en la Figura 6 , otro material de cadena puede ser carboximeti1 celulosa comercialmente disponible (CMC) . CMC es un derivado de celulosa con grupos carboximetilo (-CH2-COOH) unidos para convertirse en grupos hidroxilo. Los grupos carboxilo polares (ácido orgánico) convierten a la celulosa en soluble y químicamente reactiva. La celulosa parcialmente carboximetilada a bajo grado de sustitución (DS=0.2) retiene su carácter fibroso mientras muchas de sus propiedades difieren de las de la fibra original. La longitud de cadena promedio y el grado de sustitución son de mayor importancia; las CMC más hidrófobas menos sustituidas son tixotópicas pero las CMC más sustituidas están más extendidas y son pseudoplásticas . A un pH bajo, la CMC puede formar entrelazamientos a través de la lactonización entre el ácido carboxílico y los grupos hidroxilo libres. La Figura 8 muestra una cadena formada de aminoetil celulosa (celulosa-AE) . La celulosa-AE puede hacerse a través de la reacción de celulosa con ácido 2 -aminoetil-sulfúrico en la presencia de hidróxido de sodio. La celulosa-AE está comercialmente disponible de Whatman y ha sido previamente utilizada para columnas de cromatografía y filtros.

La Figura 7 ilustra la conjugación de una vesícula preferida con una cadena preferida. En esta modalidad, una cadena de carboximetil celulosa (CMC) reacciona con una vesícula amino-funcionalizada en la presencia de diciclohexil carbodiimida (DCCI) . Alternativamente, la Celulosa-AE reaccionará con haluros tales como triclorometilpurina o cloruro de bencensulfonilo . También reaccionará con proteínas de ácidos orgánicos en la presencia de carbodiimidas tales como diciclohexilcarbodiimida .

En una forma preferida de la invención, el conjugado de cadena de vesículas está tejido en una tela para producir una membrana biomimética utilizada para proveer un material energizado biosolar y la tela que consiste de una tela delgada incorporando una membrana de polímero biocompatible embebida con dos proteínas convertidoras de energía, bacteriorodopsina y citocromo oxidasa, que convertirán la energía óptica en energía eléctrica y suministran esta energía a una carga externa. Grandes ahorros en peso resultan del uso de membranas poliméricas delgadas (menos de 1 µ??) así como la falta de necesidad de llevar combustible con la fuente de energía. De esta forma, se puede desarrollar un sistema que puede integrarse en la ropa en la superficie de la mayor parte de los materiales, proporcionando una fuente efectivamente sin peso (menos de 1 kg/m2) de energía con una eficiencia igual a o mayor que la que logra con celdas solares. El material de energía biosolar de esta forma produce una fuente de energía orgánica/inorgánica híbrida que tiene su energía de la luz.

En una forma de la invención, la bacteriorodopsina y el citocromo oxidasa se integran en una vesícula que además se conjuga con una cadena. El conjugado de cadena de vesículas se teje en una tela que está en contacto con los electrodos microfabricados . La alteración del dispositivo propuesto puede entenderse mejor después de que la bacteriorodopsina y el citocromo oxidasa y su integración en el lípido y las membranas de polímero se entienden. Los tres han sido extensivamente estudiados y tiene un amplio cuerpo de literatura concerniente a su síntesis y función. Para detalles adicionales relacionados con las proteínas convertidoras de energía y su incorporación en lípidos y membranas de polímero, ver la Patente de E. U. A. No. 7,208,089.

Debido a que la difusión de los iones en la superficie de la membrana es grande y puede hacerse más grande a través de la elección adecuada de vesículas, la superficie de la vesícula misma es todo lo que se requiere para el funcionamiento exitoso de la celda biosolar (Pitard et al., 1996). Las vesículas, tales como los polímeros lipidizados o cualquiera de muchas matrices de polímero biocompatibles, contienen las proteínas y sirven como barreras de protón. Estas matrices de polímero son muy generales, preferiblemente requiriendo solo que (a) formen vesículas que separan la mitad superior e inferior de las proteínas cuando se utilizan proteínas de transmembrana, (b) formen un entorno lo suficientemente similar a la membrana de lipido natural de tal forma las proteínas pueden fácilmente insertarse en la vesícula con orientación apropiada, (c) el entorno químico local de la película experimentado por la proteína no causa que la proteína se despliegue o deforme en tal forma que comprenda la función natural de la proteína. Las vesículas que satisfacen estas condiciones incluyen, pero no se limitan a, polímeros lipidizados y copolímeros de tri-bloque que tienen propiedades generales de bloques externos hidrófilos y bloques internos hidrófobos. Las vesículas poliméricas incorporadas en la proteína son preferiblemente las que describen en la Patente de E. U. A. No. 7,208,089 y la Solicitud de Patente Internacional PCT/US08/74163. BR y COX se orientan y combinan en la superficie de las vesículas, y en la membrana formada del conjugado de la cadena de vesículas se recubre con electrodos.

Existen muchas estrategias que se pueden utilizar para aumentar la proximidad de los electrodos a las proteínas, tales como las provistas en Patente de E. U. A. No. 7,208,089. Una rejilla de electrodos puede colocarse directamente sobre la parte superior del líquido en la forma de una malla de cable delgado conectada externamente para la medición eléctrica. Después de remover el líquido por arriba de la superficie superior, una delgada capa transparente aluminio o níquel puede rociarse directamente sobre la membrana para formar el contra-electrodo. Alternativamente, los electrodos pueden depositarse electroquímicamente sobre la superficie de lípido cuadriculando el arreglo de punta. Esta deposición resultará en iones de cables a nanoescala en la superficie superior de la membrana. Los pasos anteriores se repiten y combinan, dando como resultado COX y BR orientados contenidos en una membrana de lípido.

Existen dos posibles escenarios para la orientación de BR y COX: orientación dipolar paralela y anti-paralela. Si los dipolos son paralelos, la alineación puede lograrse para ambas, simultáneamente, a través de la aplicación de un solo campo. Si son anti-paralelos , se utiliza el gran momento del dipolo agregado de PM. La orientación apropiada se logrará a través de la orientación inicial de COX en un campo alto seguido por la orientación de PM en un campo lo suficientemente pequeño para evitar la perturbación COX, pero lo suficientemente grande para suficientemente manipular los fragmentos PM.

El uso de membranas de polímero en la formación vesículas es deseable por las siguientes razones : tienen una vida útil más larga que las membranas de lípido, son más fuertes, y tienen propiedades más fácilmente adaptativas, tales como la conductividad y permeabilidad de electrón y ión. El interior de estas membranas puede ser hidrófobo y elástico de tal forma que el entorno de la proteína natural puede simularse tan cerca como sea posible.

Existe una amplia variedad de polímeros biocompatibles que tienen un amplio intervalo de propiedades tales como la absorbencia óptica, polaridad, conductividad eléctrica y iónica entre otros. Los polímeros que mejoran las propiedades de las celdas polares de la presente invención deben ser compatibles con las proteínas y electrodos. La impermeabilidad a los protones también es importante. La habilidad de estimular la superficie del polímero puede ser significativa, ya que juega un papel importante en la conductividad del protón y la conductancia de la transmembrana. La vida útil del polímero así como sus efectos de vidas útiles de las proteínas contenidos dentro del mismo también son relevantes, y son factores en su selección. La elección de un polímero con una corta vida útil pero alto rendimiento puede ser útil en aplicaciones especiales.

Los métodos anteriores para la producción de fuentes de energía solar altamente eficientes y productivas hechas con componentes biológicos demuestra la integración de las proteínas biológicas convertidoras de energía con un dispositivo externo, e indican el camino hacia una trayectoria de fabricación capaz de la producción a gran escala de celdas biosolares capaces de energizar una amplia variedad de dispositivos .

En otro aspecto de la invención, a través del uso de la familia de proteínas Aquaporina incorporadas en las membranas de copolímero de tribloque, las películas estables se producen, las cuales solamente pasan agua, de esta forma facilitando la purificación del agua, la desalación, y la concentración molecular a través de diálisis. Las Aquaporinas excluyen el paso de todos los contaminantes, incluyen bacterias, virus, minerales, proteínas, ADN, sales, detergentes, gases disueltos, y aún protones de una solución acuosa, pero las moléculas de Aquaporina son capaces de transportar agua debido a su estructura. Los detalles adicionales relacionados con la familia de proteínas de Aquaporina se describen en la Patente de E. U. A. No. 7,208,089. El agua se mueve a través de la membrana en una dirección particular debido a su presión hidráulica u osmótica. La purificación/desalación del agua puede lograrse con un dispositivo de dos cámaras que tiene cámaras separadas por una membrana de polímero que incorpora la proteína rígida en su centro que se llena con Aquaporina. Esta membrana misma es impermeable al agua y separa el agua contaminada en una primera cámara del agua purificada en una segunda cámara. Solamente el agua pura es capaz de fluir entre las dos cámaras. De esta forma, cuando se coloca agua de mar u otra agua contaminada en un lado de la membrana bajo una presión adecuada, el agua pura naturalmente fluye en la otra cámara. Por consiguiente, el agua purificada puede obtenerse de fuentes no bebibles o, si la fuente de agua contiene químicos de interés, el agua puede selectivamente removerse, dejando una alta concentración de químicos deseados en la cámara de entrada. De manera importante, sin embargo, las Aquaporinas también son adecuadas para esta invención por razones diferentes de su exclusiva selectividad para el agua. Muchas membranas de esta familia de proteínas, tal como la AquaporinaZ (AqpZ) son extremadamente fuertes y pueden soportar condiciones severas de agua de fuente contaminada sin perder su función. AqpZ resiste la desnaturalización o aclaramiento de la exposición a ácidos, voltajes, detergentes, y calor. Por consiguiente, el dispositivo puede utilizarse para purificar el agua de origen contaminada con materiales que podrían ensuciar o destruir otra membrana, y pueden utilizarse en áreas que experimentan consistentemente altas temperaturas.

AqpZ también es mutable. Ya que esta proteína específicamente se expresa en la bacteria hospedera de acuerdo con una secuencia genética que tiene influencia sobre su forma y función final, un técnico puede fácilmente cambiar su código genético con el fin de cambiar las características de la proteína. Por consiguiente la proteína puede modificarse para cumplir con una aplicación deseada que puede ser diferente de la función original de la proteína. Por ejemplo, al simplemente cambiar un residuo de aminoácido particular cerca del centro del canal de agua a cisteína, las Aquaporinas producidas podrían unirse a cualquier mercurio libre en la solución y cesar el transporte de agua debido al bloqueo. De esta forma, estas proteínas mutantes utilizadas en el dispositivo de membrana detectarían la contaminación de mercurio en una muestra de agua simplemente cesando el flujo cuando la concentración de las sustancias tóxicas se mueve demasiado alto.

La forma preferida de la invención tiene la forma de un disco de filtro convencional porque es más fácilmente ensayado para funcionalidad en esa forma. Para fabricar tal disco, se deposita una monocapa con un espesor de 5 nm de copolímero de tribloque sintético y proteína en la superficie de un disco de ultrafiltración comercial de 25 mm utilizando un canal Langmuir-Blodgett . La monocapa en el disco después se expone a 254 nm de luz UV para entrelazar el polímero y aumentar su durabilidad. Finalmente, una membrana de PFVD de tamaño de poro de 220 nm se pega con epoxi a la superficie del disco para asegurar el manejo seguro y evitar la fuga de los bordes.

El dispositivo se ensayó adaptándolo en una cámara que fuerza el agua de origen presurizada a través de la membrana. El dispositivo es considerado funcional cuando solamente el agua pura sale por otro lado de- membrana y los subgrupos contaminantes permanecen concentrados en la cámara de origen. La solución contaminada debe presurizarse con el fin de superar la tendencia natural del agua pura a fluir hacia la membrana que tiene un número superior de partículas disueltas . Este es el propósito de la membrana de Aquaporina Z para invertir la osmosis y separar el agua pura de los solutos contaminados. Esta tendencia, o la presión osmótica, del sistema puede expresarse en kg/cm2 (libras por pulgada cuadrada (psi) ) . Por ejemplo, la presión osmótica del agua marina es de aproximadamente 25.30 kg/cm2 (360 psi).

Existen varios métodos que pueden utilizarse para permitir que el dispositivo tolere estos tipos de presiones. Algunas variedades de polímero son naturalmente más durables que otras, y pueden entrelazarse con luz UV para proporcionar una rigidez extra. Otro método es agregar una alta concentración de un soluto no tóxico fácilmente removible a la cámara de agua fresca para provocar la osmosis regular a través de la membrana mientras también ocurre la osmosis inversa debido a la presurización de la cámara. Finalmente, la presión requerida para la osmosis inversa puede reducirse a través del uso de múltiples dispositivos AqpZ en una cascada de cámaras conectadas, selladas que contienen sucesivamente concentraciones más pequeñas de contaminante. La presión resultante requerida para purificar el agua en cada par de cámaras es una fracción de la presión total necesaria para osmosis inversa. Por consiguiente, cada membrana solamente tiene que soportar una pequeña presión y tiene una mayor oportunidad de permanecer intacta. De tal forma, que si la diferencia de la concentración en cada par de cámaras fue solamente de 10% en lugar de 100%, solamente e.1 10% de la alta presión antes mencionada sería necesaria para purificar el agua de origen en cada derivación. El agua pura se produciría continuamente en la cámara final con una presión y flujo constantes.

La membrana de la osmosis inversa de Aquaporina puede purificar agua que posee varios diferentes tipos de contaminación en un solo paso. Los sistemas de alta pureza tradicionales requieren varios componentes que pueden incluir un ablandador de agua, filtros de carbón, intercambiadores de ión, esterilización UV o química, y un grupo de filtros de osmosis inversa de dos pasadas a ser utilizados en conjunción antes de que se produzca el agua (que no está tan limpia como el agua purificada con Aquaporina) . Esta configuración elaborada no puede remover los gases disueltos o sustancias menores de 150 Daltons del agua de origen como la membrana de Aquaporina lo hace. Además, todos estos componentes requieren mantenimiento. Los bulbos UV requieren recolocación y energía. Los intercambiadores de ión necesitan regenerarse químicamente cuando están llenos. Los ablandadores requieren sal. El carbón y los cartuchos de osmosis inversa deben reemplazarse cuando se ensucian. Finalmente, un dispositivo de una sola pasada requeriría mucho menos espacio y peso que un sistema de purificación típico, y esta ventaja permite que los dispositivos de purificación de agua con Aquaporina de la presente invención sean portátiles .

Las membranas de Aquaporina también son más rápidas que los sistemas convencionales. Una unidad R. 0. de alta velocidad convencional puede hacer 28.4 litros (7.5 galones) de agua limpia cada minuto. La investigación actual muestra el movimiento de las moléculas de agua a través de una membrana de lípido saturada con AqpZ (0.0177 mm.sup.2) a una velocidad de 54 moles/sec. (pohl, P., Saparov, S. M. , Borgnia, M. J., and Agre, P., (2001), Proceedings of the National Academy of Sciences 98, p. 9624 96 29) . De esta forma, la Membrana de Osmosis Inversa de Aquaporina Z teórica con un área de superficie de 1.0 metros cuadrados filtraría 3295 litros de agua pura cada minuto. La velocidad es 116 veces más rápida que un purificador normal.

Finalmente, las nuevas membranas con base en proteína también son muy baratas de producir. El corazón del proceso, AqpZ, se cosecha fácilmente en cantidades de miligramos de una cepa bacteriana de E. coli modificada. En promedio, 2.5 mg de proteína pura pueden obtenerse de cada litro de cultivo que se está produciendo. 10 mg de proteína pueden producirse de aproximadamente 5 dólares de medio de crecimiento. Esto es suficiente proteína para varios dispositivos de tamaño completo. También, el polímero en donde se embebe AqpZ puede producirse en el mismo laboratorio por unos cuantos centavos de químicos para cada dispositivo. La Membrana de Osmosis Inversa de Aquaporina Z es un medio nuevo, eficiente y no costoso de purificación de agua.

De esta forma, se han descrito métodos y aparatos que utilizan componentes biológicos para lograr una producción altamente eficiente de agua completamente pura de agua sucia, salada o por el contrario contaminada. La invención demuestra la integración de las proteínas biológicas que transportan el agua con un dispositivo externo, e indica el camino hacia una trayectoria de fabricación capaz de la producción a gran escala de dispositivos de purificación de agua.

Aunque la presente invención ha sido descrita en términos de modalidades preferidas, se entiende que numerosas variaciones y modificaciones de los métodos y dispositivos descritos en la presente pueden hacerse sin apartarse del espíritu y alcance de la invención, como se establece en las siguientes reivindicaciones.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (16)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. - Una vesícula polimérica, caracterizada porque se conjuga con una cadena para formar un conjugado de cadena de vesículas.

2. - El conjugado de cadena de vesículas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque se forma proporcionando una superficie de vesícula funcionalizada y una superficie de cadena funcionalizada .

3. - El conjugado de cadena de vesículas de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las proteínas se incorporan en la membrana de la vesícula.

4. - El conjugado de cadena de vesículas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque se incorpora más de una clase de proteína en la membrana de la vesícula .

5. - El conjugado de cadena de vesículas de conformidad con las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la vesícula se forma de polímeros lipidizados o copolímeros de tribloque que tienen propiedades generales de bloques externos hidrófilos y bloques internos hidrófobos.

6. - El conjugado de cadena de vesículas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cadena incluye cualquier número o permutación de un material de celulosa, carboximetil celulosa (CMC) , aminoetilcelulosa (Celulosa-AE) , celda de microfibra, celulosa nano-cristalina, nanofibras/mechas de celulosa y/o materiales a base de nailon.

7. - Una membrana biomimética caracterizada porque se forma a través de la cadena de pluralidad de conjugados de cadena de vesículas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en una tela.

8. - Una membrana biomimética formada por el depósito de los conjugados de cadena de vesículas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en una configuración "de fabricación de papel" caracterizada porque los conjugados se adhieren entre sí.

9. - Una membrana biomimética caracterizada porque se forma en una combinación de membranas biomiméticas de conformidad con la reivindicación 7 y 8.

10. - Una membrana de conformidad con las reivindicaciones 7-9, caracterizada porque ha sido entrelazada con luz UV.

11. - Una membrana biomimética de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7-10, caracterizada porque la membrana comprende conjugados de cadena de vesículas con diferentes clases de proteínas incorporadas en la membrana de las vesículas.

12. - Una membrana biomimética de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizada porque las proteínas incorporadas en las membranas de vesículas comprenden proteínas de la familia de Aquaporina.

13. - Una membrana biomimética de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque la membrana solamente pasará agua, de esta forma siendo una membrana de filtración de agua la que facilita la purificación del agua, la desalación, y la concentración molecular a través de diálisis .

14. - Una membrana biomimética de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, caracterizada porque las dos proteínas convertidoras de energía se incorporan en las membranas de vesícula.

15. - Una membrana biomimética de conformidad con la reivindicación 14, caracterizada porque las dos proteínas convertidoras de energía son bacteriorodopsina y citocromo oxidasa .

16.- Una fuente de energía que comprende una membrana biomimética de conformidad con la reivindicación 14 ó 15, caracterizada porque la membrana biomimética está contacto con electrodos microfabricados .