NO341148B1 - Membran for filtrering av vann - Google Patents

Description

MEMBRAN FOR FILTRERING AV VANN

Foreliggende oppfinnelse angår vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinkanaler eller tetramerer som er egnet for filtrering av rent vann og/eller glyserol, en filtreringsinnretning/et rensesystem omfattende en slik membran samt metoder for bruk av disse for fremstilling av ultrarent vann og for å ekstrahere overskytende vann fra vandige preparater.

Forskjellige vannbehandlingssystemer og -metoder er tradisjonelt utviklet for rensing av naturlige og forurensede vannkilder for å oppnå renset vann som er egnet for human- og/ eller animalfor-bruk. I tillegg er det et sterkt behov for ultrarent vann fra halvleder- og farmasiindustri. Produksjo-nen av ultrarent vann krever mer spesialiserte filtrer og kjemisk behandling av vannkilden. Et antall teknikker benyttes, for eksempel membranfittrering, ionebyttere, submikronpartikkelfiltre eller nano-filtre, ultrafiolett lys og ozonbehandling. Det produserte vann er ekstremt rent og inneholder ingen eller kun meget lave konsentrasjoner av salter, organiske komponenter, oppløste gasser som oksygen, suspenderte faststoffer og mikroorganismer som vimser og bakterier. På grunn av faktorer som den fortsatte miniatyrisering av halvlederindustrien, blir spesifikasjonene for ultrarent vann stadig strengere.

Tradisjonelt blir vann renset eller behandlet gjennom et antall tilgjengelige vannbehandlingsinnret-ninger som er designet både for kommunal- og sluttbruksanvendelser, for eksempel basert på de følgende teknologier: aktivert karbon for fjerning av organisk materiale, ultrafiolett lysdesinfisering, ionebytting for fjerning av hardhet (vannbløtgjøring) og membranavsalting som revers osmose (RO) eller nanofiltrering (NF). Imidlertid er nanofiltrering relativt ny på området vannbehandlings-teknologi. En NF-membran gir bløtt vann ved å holde tilbake hardheten som skaper toverdige ioner som er til stede i vannet. En NF-membran tillater at en høy prosentandel av monovalente ioner som natrium og klorid, passerer gjennom mens den holder tilbake en høy prosentandel av de divalente ioner. Det er de monovalente ioner som skaper osmotisk trykk som krever at moderate til høye trykk er nødvendig for å pumpe vann gjennom en RO membran. Derfor krever nanofiltermembraner meget mindre trykk for pumping av vann gjennom membranen fordi de hydrauliske drivkrefter ikke må overvinne effekten av osmotisk trykk som skyldes monovalente ioner. Generelt sagt fjerner RO-membraner som benyttes for bolig- og kommersiell vannbehandling, alle oppløste faststoffer ved rundt 98 %, mens nanofiltermembraner fjerner divalente ioner (hardhetskomponen- ter: kalsium og magnesium) i en mengde av rundt 90 % og monovalente ioner (natriumklorid) i en mengde rundt 50 %.

Avsaltingsinnretninger som benytter membranelementer (for eksempel RO eller NF), skaper alltid to strømmer av vann når vannet forlater elementet: avsaltet produktvann (som har gått gjennom membranen) og en avfallssaltoppløsning eller avfallsbrine (som har strømmet over membranoverflaten). Denne avfalls- eller spillbrinestrøm er nødvendig for å spyle salter og mineraler bort fra membranen for å forhindre at disse akkumulerer og tilstopper membranoverflaten. Hvis det inntrer en kontinuerlig oppbygning av salter og mineraler i fødevannet til en membran, kan oppløste sub-strater felle ut og danne en fast film og stoppe til overflaten av membranen. I tillegg kan kolloide og partikkelformige kontaminanter også feste seg til membranoverflaten og forårsake tilstopping. Når det gjelder mange vannbårne kontaminanter kan, hvis en membran blir irreversibelt dekket eller tilgrodd, denne ikke lenger renses og må derved erstattes. Dette karakteristikum for membranpro-sesser danner et signifikant problem med henblikk på å redusere avfallsstrømmen, særlig når det gjelder brukspunkt(POL) (point of use))-vannbehandlingssystemer som typisk er kompakte og bygd så økonomisk som mulig.

lonebytteinnretninger benyttes ofte også for å gjøre såkalt "hardt vann" bløtt. Problemet med ione-byttevannbløtgjøringssystemer er at de fjerner hardhetskomponentene i vann (kalsium- og magnesiumioner) ved å bytte disse ut med natriumioner for å skape det som kalles "bløtt vann". Når rege-nerering av ionebyttemediet skjer, går en konsentrert vannstrøm av natrium-, klor-, kalsium- og

magnesiumioner i kloakksystemet og skaper et miljøavfallsdeponeringsproblem. Et eksempel på et vannrensesystem av en slik type er beskrevet i US 5741416 for et "vannrensesystem med flere par filtre og et ozonkontaktkammer", og som beskriver et vannrensesystem som er effektivt for å oksi-dere organiske kontaminanter og å destruere mesteparten av bakteriene, virusene og andre mikro-ber i en slik vannstrøm. Systemer som involverer dialysemembraner som er selektive for monovalente kationer er også beskrevet i WO 2004/099088.

Det er således et kontinuerlig behov for vannrensesystemer for behandling av vann som er eller kan bli forurenset med kjemiske, biologiske og/eller radiologiske kontaminanter både for normale husholdningsformål så vel som for avansert forskning eller industrielle og farmasøytiske prosesser.

Fordi forurensing eller trussel om forurensing av vann hyppig er av meget lokal karakter, for eksempel om bord på et skip eller i en fjern landsby eller en leir, er det et behov for et fast eller bær-bart vannrensesystem som hurtig og lett kan bringes til en aktuell lokasjon eller en potensiell forurensing. Av spesiell relevans er et system som effektivt kan fjerne kontaminanter fra en virkelig eller potensiell forurenset vannkilde som sjøvann, for å gi behandlet vann som er egnet for human forbruk.

Siden oppdagelsen av akvaporinvanntransportproteiner, som utmerker seg ved sin evne til selektivt å transportere hhO-molekyler gjennom biologiske membraner, har det vært en viss interesse i å ta sikte på kunstige vannmembraner som benytter disse proteiner, jamfør USSN 2004/0049230 "Bio-mimetic membranes" som tar sikte på å beskrive hvordan vanntransportproteiner innleires i en membran for å muliggjøre vannrensing. Den foretrukne, beskrevne form, har form av en konvensjonell filterplate. For å fremstille en slik plate blir et 5 nm tykt monosjikt av syntetisk triblokks kopolymer og protein avsatt på overflaten av en 25 mm kommersiell ultrafittreringsplate ved anvendelse av et Langmuir-Blodgett trau. Monosjiktet på platen kan så fornettes ved bruk av UV-lys mot poly-meren for å øke holdbarheten. Innretningen kan monteres ved tilpasning i et kammer som presser trykksatt kildevann gjennom membranen. Imidlertid er det ingen retningslinjer om hvordan man skal kunne velge en syntetisk triblokks kopolymer, og heller ikke er det noen data som støtter den virke-lige funksjon av det innleirede akvaporin.

Det er foreslått at en vannrenseteknologi kunne skapes ved å uttrykke akvaporinproteinet i lipidbi-sjiktvesikler og støpe disse membraner på porøse bærere, jamfør James R. Swartz med hjemme-side: http:// chemeng. stanford. edu/ 01Aboutthe Department/ 03Faculty/ Swartz/ swartz. html.

Foreliggende oppfinnelse tar primært sikte på å utvikle en industriell vannfiltreringsmembran og - innretning omfattende akvaporiner innarbeidet i en membran i stand til å rense vann med høyeste renhet, for eksempel 100 %. Ingen teknikker eller filtrer som er kjent i dag, kan oppfylle dette formål.

Foreliggende oppfinnelse angår i et aspekt en membran for filtrering av vann, hvilken membran benytter akvaporinvanntransportproteiner som er rekonstituert i lipidvesikler og transformert inn i et båret sjikt for å gi en vannfiltreringsmembran som benytter en metode som Langmuir-Blodgett-metoden.

Fordelene for vannmembraner ifølge oppfinnelsen inkluderer effektiv avsalting av sjøvann (97-98 % av jordens vann er sjøvann) uten behov for avsaltingskjemikalier, og tilveiebringelse av transpor-table avsaltningsfiltre (en "kaffefilter"-liknende innretning i stand til å skille vann og salt), effektiv vannrensing for halvlederindustrien, robust husholdningsvann-/drikkevannrensing og vannrensing uten bruk av elektrisitet, for eksempel i den tredje verden.

Således angår foreliggende oppfinnelse i et aspekt en vannmembran omfattende en sandwichkon-struksjon med minst to permeable bærersjikt separert av minst et lipidbisjikt omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler. På denne måte tillater den permeable eller porøse bærer at vannmolekyler kan penetrere gjennom bæreren for å nå det minst ene lipidbisjikt avsatt mellom bærersjiktene. Disse ett eller flere lipidbisjikt omfatter dispergerte, funksjonelle akvaporinkanaler som så filtrerer kun vann eller, i det tilfellet akvaporinet er en GLpF-kanal, også glyserol til den motsatte side av den porøse bærer, noe som resulterer i et filtrat bestående av rent vann. Fortrinnsvis er det filtrerte vann ultrarent vann (UPW- ultra pure water) som er høyrenset vann med lavt ioneinnhold, partikler, organiske stoffer og kolloider. Vannmembranen ifølge oppfinnelsen representerer en ny generasjon av reversosmosemembraner under anvendelse av de mest selektive vanntransportkanaler som kjennes.

I et andre aspekt angår foreliggende oppfinnelse en vannmembran omfattende en sandwichkon-struksjon med minst to lipide monosjikt som, når de settes sammen til et bisjikt, omfatter funksjonelle akvaporinvannkanaler, idet de minst to lipide monosjikt er atskilt av minst et permeabelt bærersjikt. I denne utførelsesform separerer det permeable bæresjikt således to lipide monosjikt som er i stand til å danne lipide bisjikt når bærersjiktet inkluderer perforeringer/punkturer.

Et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen angår en vannfiltreringsinnretning omfattende oppfinnelsens vannmembran, eventuelt innelukket i den stabiliserende membran, som er montert i et hus med et innløp for vandig væske for rensing og et utløp for renset vann.

Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte for fremstilling av en vannmembran omfattende trinnene: a) å oppnå lipide mikrovesikler inneholdende akvaporinvannkanaler omfattende minst 0,1 % mol/mol av nevnte mikrovesikler, b) fusenng av nevnte vesikler til et planarlipidbisjikt på en i det vesentlige planar, permeabel bærer med en hydrofil overflate der akvaporinproteiner dekker minst 1 % av bisjiktarealet,

c) eventuelt å gjenta trinnet b) for å oppnå flere fuserte bisjikt,

d) avsetning av en andre, i det vesentlige plan, permeabel bærer med en hydrofil overflate på lipid bisjikt et som oppnås i trinn b) eller trinn c) for å oppnå en sandwichstruktur, og e) eventuelt å lukke den oppnådde sandwichstruktur i en permeabel, stabiliserende membran.

Alternativt kan vannmembranene beskrevet her tildannes ved anvendelse av en fremgangsmåte som omfattende trinnene: a) å oppnå lipide mikrovesikler inneholdende akvaporinvannkanaler omfattende minst 0,1 % mol/mol av nevnte mikrovesikler, b) fusen ng av nevnte vesikler til plane, lipide bisjikt montert rundt en i det vesentlige plan, permeabel bærer med en hydrofob overflate der akvaporinproteinet dekker minst 1 % av

bisjiktarealet, og

c) eventuelt å lukke den oppnådde sandwichstruktur i en permeabel, stabiliserende membran.

Oppfinnelsen angår videre en revers osmosevannfiltreringsinnretning som, som revers osmose-filtreringsmembran, omfatter en vannmembran (for eksempel en vannmembran ifølge oppfinnelsen) omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

Oppfinnelsen angår også en vannfiltreringsinnretning for ekstrahering og utvinning av vann fra kroppsfluider som urin, melk og svette/perspirering, omfattende en vannmembran som omfatter funksjonelle akvaporinvannkanaler.

I tillegg angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av rent vann som et re-sultatet av filtrering av en naturlig eller forurenset vannkilde gjennom oppfinnelsens vannmembran. Nevnte rene vann karakteriseres ved fraværet av forurensende stoffer som oppløste stoffer eller partikler. Oppfinnelsen angår videre en fremgangsmåte for å oppnå renset vann ved filtrering av en vannkilde ved bruk av en revers osmosemembran omfattende funksjonelle akvaporinkanaler.

Til slutt er den generelle design for vannmembranene ifølge oppfinnelsen også antatt å være anvendelige for membraner for andre formål der andre transmembranproteiner enn akvaporiner er innarbeidet i membraner som ellers er designert som oppfinnelsens vannmembraner. Slike membraner er i alle aspekter, bortsett fra valget av transmembranprotein, identisk med membranene som beskrives her, og alle beskrivelser som angår slike membraner gjelder mutatis mutandis til membraner som inneholder andre transmembranproteiner enn akvaporiner.

Transmembranproteiner som skiller seg fra akvaporiner og som er egnet for inklusjon i membranene, er for eksempel valgt blant, men ikke begrenset til, alle transmembranproteiner som finnes i The Transporter Classification Database (TCDB). TCDB er tilgjenglig på http:// www. tcdb. org.

Eksempler på transmembranproteiner fra TCDB er:

Aeroslysinkanaldannende toksin

agrobakteriell mål-vert cellemembrananionkanal

a-hemolysinkanaldannende toksin

Alameticinkanal

Alginateksportporin

Amoebapore

Amfifatisk peptid mastoparan

Amyloid p proteinpeptid

Animalsk innoverrenser K<+>kanal

Anneksin

Apoptoseregulator

ArpQ holin

AS-48

ATP-kodet kationkanal

Autotransportør

Bacillus subtilis j29 holin

Bakteriell type III målcellepore

Baktericid permeabilitetsøkende protein

Bakteriocin AS-48 cyklisk polypeptid Bakteriorhodopsin

Betikolinkanal

BlyA holin

Botulinum- og tetanustoksin Brucella-Rhizobium porin

Campylobakter jejuni stor yttermembranporin Cathilicidin

Kationkanal

Kationkanaldannende varmesjokkprotein 70 Cecropin

Kanaldannende Bacillus antraksbeskyttende antigen Kanaldannende ceramid

Kanaldannende colicin

Kanaldannende colicin V

Kanaldannende d-endotoksin insektididal krystallprotein Kanaldannende e-toksin

Kanaldannende leukocidin cytotoksin Klamydialporin

Kloridkanal

Kloroplastmembrananionkanaldanner Kloroplast yttermembransoluttkanal Kolesterolbinding, tiolaktivert cytolysin Klostridial cytotoksin

Komplement protein C9

Kompleksert polyhydroksybutyrat-Ca2+ kanal Corynebakteriell porin

Cph1 holin

C-type natriuretisk peptid

Cyanobakteriell porin

Cyklodekstrinporin

Cytohemolysin

Cytotoksisk amylin

Defensin

Dermaseptin

Difteriatoksin

Divergicin A

Jordormlysenintoksin

Envelope virus E1-kanal

Epitelial kloridkanal

Epitelial Na<+->kanal

FadL yttermembranprotein

Fusobakterielt ytre membranporin Gap-skjøtedannende konneksin

Gap-skjøtedannende inneksin

Generell bakteriell porin

Glukoseselektivt OprB porin

Glutamatportet ionekanal av neurotransmitterreceptorer gpg-j<ph>ox fagocytt NADPH-oksidase-assosiert cyt bsss H+<->kanal Gramicidin A-kanal

H+<->eller NaMranslokerende bakteriell flagellær motor H+<->eller Na<+->translokerende bakteriell MotAB flagellær motor/ExbBD yttermembrantransport Helicobakteryttermembranporin

HP1 holin

lnfluensavirusmatriks-2-kanal Insektdefensin

Intracellulær kloridkanal

j11 holin

jAdh holin

jU53 holin

Laktasin X

Laktisin 481

Laktosin S

Laktococcin 972

Lactococcin A

Lactococcin G

Stor-konduktans mekanosensitiv ionekanal

Iholin S

Ligandportet ionekanal av neurotransmitterreseptorer LrgA holin

LydA holin

Magainin

Stort intrinsisk protein

Melittin

Metallionetransportør (kanal)

Microcin E492

Mitokondrial og plastid porin Mykobakterielt porin

Nisin

Ikke-selektiv kationkanal-1 Ikke-selektiv kationkanal-2 Nukleosid-spesifikk kanaldannende ytre membranporin OmpA-OmpF porin

OmpG porin

Organnelær kloridkanal Ytre bakteriell-membran se kreti n Ytre membranhjelpeprotein Ytre membranfaktor Yttermembranfimbrial usher porin Yttermembranporin Yttermembranreceptor

P2 holin TM

P21 holin S

Pediocin

Fosfolemman

Pilosulin

Plantedefensin Planteplasmodesmata

Plantetionin

Plantaricin EF

Plantaricin JK

Plastid ytterenvelope porin på 16 kDa Plastid ytterenvelopeporin på 21 kDa Plastid ytterenvelopeporin på 24 kDa Polycystinkationkanal Polyglutaminionekanal Poredannende ekvinatoksin Poredannende hemolysin E Poredannende RTX toksin

PRD1 holin M

Prionpeptidfragment Pseudomanassyringae HrpZ mål-vertscellemembran Pseudomonas OprP porin Raffinoseporin

Rhodobakter PorCa porin

Ryanodin-inositol-1,4,5-trifosfatreceptor Ca<2+>kanal

Saponinkanal

Shiga toksin B-kjede

Kortkjedeamid- og ureaporin

Små-konduktansemekanosensitiv ionekanal

Sukkerporin

Syringomycinkanal

Syringopeptinkanal

T4 holin

T4 immunitetsholin

T7 holin

Takyplesin

Tolaasinkanal

TonB-ExbB-ExbD/TolA-TolQ-TolR av energiserere for yttermembranreseptor-(OMR-)medi-transient reseptorpotensiale Ca<2+->kanal

Tri part i tt hemolysin BL

To-partner sekresjonsporin

Type B influensa virus NB kanal

Ureatransportør (kanal)

Urea/amidkanal

Vakuolerende cytotoksin

Vibrio kitoporin/Neisseriaporin

Spenningsportet ionekanalsuperfamilie

"Whipworm" stikosomporin

Gjærdrepertoksin K1

Gjærstrekk-aktivert, kationselektiv Ca<2+>kanal

Ytterligere aspekter ved oppfinnelsen inkluderer bruken av vannmembranen for å ekstrahere overskytende vann fra vandige substanser eller oppløsninger, for eksempel for å oppnå økt konsentrasjon av en ønsket solurt. Fig. 1 er et diagram som viser forskjellige komponenter av en vannmembran ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen og med bårede lipidbisjikt med innarbeidede akvaporinmolekyler i et sandwichstrukturert eksempel på en vannmembran ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et diagram som viser forskjellige komponenter av en vannmembran ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen med bårede lipidbisjikt med innarbeidede akvapo rinmolekyler i et sandwichstrukturert eksempel på en vannmembran der lipidbisjiktene som omfatter akvaporinkanalene er inne i porene av det permeable eller po-røse bærermateriale. Fig. 3 er en figur som beskriver konstruksjonen av en biomimetisk membran omfattende akvaporiner. Figuren viser de forskjellige komponenter av membranen i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen med bårede lipidbisjikt med innarbeidede akvaporinmolekyler i sandwich rundt en porøs teflonfilm. Fig. 4 er en figur som viser konstruksjonen ev en biomimetisk membran omfattende akvaporiner. Figuren viser de forskjellige komponenter av membranen i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen med støttede lipide bisjikt med innarbeidede akvaporinmolekyler i sandwich rundt en porøs teflonfilm og ytterligere innkapslet i et sandwichkonstrukt. Fig. 5 er et diagram som viser forskjellige komponenter av en vannmembran omfattende et innkapslet sandwich-strukturlipidbisjikt med innarbeidede akvaporinmolekyler. Fig. 6 er en illustrasjon av den innkapslede vannmembran ifølge oppfinnelsen, montert i et filterhus med et innløp og et utløp i henhold til en annen utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 7 er et diagram som viser forskjellige komponenter av et vannrensesystem ifølge nok en utførelsesform av oppfinnelsen. Systemet omfatter komponentene med et rå-vanninnløp, et todelt mediumfiltreringsrom, et vannmyknerrom, eventuell bisulfidtil-setning og kaustisk tilsetning, revers osmosefiltre 1 og 2 (R01, R02) forbundet med en pumpe med en sløyfe for ytterligere rensning gjennom ROI - og R02-filtrene, utløp til drenering samt lagringstank md UV-desinfiseringsrom. Fig. 8 viser forskjellige elementer i akvaporin- og akvaglyseroporingruppen av proteiner. Fig. 9 er et atomkraftmikroskopbilde av membraner dannet på mika. Membranene er

preparert i henhold til protokollene som beskrevet i eksempel 1.

Fig. 10 viser en filtreringsinnretning omfattende spiralviklede vannmembraner ifølge oppfinnelsen.

Fig. 11 er et tverrsnitt langs linjen ll-ll i fig. 10.

Fig. 12 er en figur som viser fremstilling av bårede bisjikt ved Langmuir-Blodgett-avsetning av lipider fra luft/vann-grenseflaten. Avsetningen av det første monosjiktet er vist til venstre og det andre sjikt til høyre. Fig. 13 er en figur som illustrerer vesikkelfusjonsprosedyren. Vesikler adsorberer til substratet og brytes opp for å gi det bårede bisjikt.

Fig. 14 er en figur som viser båret lipidbisjiktfremstilling ved spinnbelegning.

Levende celler innelukkes av en lipidbisjiktmembran, noe som skiller cellene fra andre celler og deres ekstracellulære medium. Lipidbisjiktmembraner er i det vesentlige impermeable for vann, ioner og andre polare molekyler, men i mange tilfeller må slike enheter hurtig og selektivt transpor-teres gjennom en membran, ofte som respons på et ekstra- eller intracellulært signal. Den vanntransporterende oppgave oppfylles av akvaporinvannkanalproteiner (Preston et al., 1992). Akvaporiner er avgjørende for liv i enhver form og de finnes i alle organismer, fra bakterier via planter til mennesker. Akvaporiner letter hurtig, høyselektiv vanntransport og tillater derved at cellene regule-rer sitt volum og sitt indre osmotiske trykk i henhold til hydrostatiske og/eller osmotiske trykkfor-skjeller over cellemembranen. Den fysiologiske betydning av akvaporinet i mennesker er sannsynligvis mest avgjørende i nyrene der -150-200 liter vann må reabsorberes fra primærurin hver dag, det vil si at akvaporinlettet vanntransport aktiveres når vann hurtig må hentes fra et kroppsfluid. I nyrene gjøres dette mulig hovedsakelig ved to akvaporiner angitt som AQP1 og AQP2 (11 forskjellige akvaporiner i mennesker er kjent). I planter er akvaporiner også kritiske for vannabsorpsjon i roten og for å opprettholde vannbalansen i hele planten (Ågre et al., 1998, Borgnia et al., 1999). Studier av vanntransport i forskjellige organismer og vev antydet at akvaporinene har en snever pore som forhindrer at større molekyler, ioner (salter) og sågar proton (H3O+)- og hyd ro ksy li on (OH-) strømmer, mens det opprettholdes en ekstremt høy vannpermeasjonshastighet;~10<9>molekyler H2O per kanal per skund (Ågre et al., 1998, Borgnia et al., 1999). Inntil 2000 og 2001 da den første høyoppløsnings 3D struktur av AQP1 og den av det relaterte glyserolledende bakterielle kanalprotein akvaglyseroporin GIpF ble rapportert (Fu et al., 2000; Murata et al., 2000; Ren et al., 2001; Sui et al., 2001), var lite kjent om opprinnelsen for vannselektiviteten.

Basert på de eksperimentelle strukturer ble imidlertid detaljerte datamodeller brakt frem som for-klarte ikke bare den høye permeasjonshastighet og den strikte vannselektivitet, men også evnen hos akvaporiner til å forhindre protonlekkasje (de Groot and Grubmuller, 2001; Tajkhorshid et al., 2002, Jensen et al., 200, Chakrabarti et al., 2004). I det vesentlige tillater arkitekturen av akvapo-rinkanalen at vannmolekyler passerer kun i en enkelt fil mens elektrostatisk innstilling av det indre av kanalen kontrollerer akvaporinselektiviteten mot alle de ladede spesier, det vil si transport av ethvert salt (ion) så vel som protoner og hydroksylioner (de Groot and Grubmuller, 2001; Tajkhorshid et al., 2002, Jensen et al., 2003, Zhu et al. 2003, de Groot et al., 2003, Burykin and Warshel 2003, lian et al., 2004, Chakrabarti et al., 2004). Kort sagt innebærer dette at kun vannmolekyler passerer gjennom akvaporinvannporen og intet annet.

Hver enhet i en akvaporinkanal transporterer~10<9>H20-molekyler/sekund, det vil si~4 x 10<9>molekyler/kanal/sekund. Således er 1 g akvaporin i stand til å transportere -720 liter vann/sekund under meget høyt trykk. Det resulterende vann som er filtrert gjennom en funksjonell akvaporinkanal er -100 % renset vann, fritt for ioner, partikler, organiske stoffer og kolloider, for eksempel bestående av-100% H20.

Akvaporinfamilien av membranproteiner som benyttet her, inkluderer også GLpF-proteinene som i tillegg til vannmolekyler også kanaliserer glyserol. Et foretrukket akvaporin er av planteopprinnelse som et TIP-, et PIP- eller et NIP-akvaporin, jamfør fig. 8.

Membranene ifølge oppfinnelsen som beskrevet nedenfor vil kun la vann passere og letter derved vannrensing, avsalting og molekylær konsentrasjon via revers osmose. Akvaporinene er kjent for å ekskludere passasjen av alle kontaminanter, inkludert bakterier, virus, mineraler, proteiner, DNA, salter, detergenter, oppløste gasser og sågar protoner fra en vandig oppløsning, men akvaporin-molekylene er i stand til å transportere vann på grunn av deres struktur. Den relaterte familie av akvaglyseroporiner (GLpF) er i tillegg i stand til å transportere glyserol. Hvert akvaporin omfatter transmembran a-helikale domener som forandrer proteinet i en membran, og to høykonserverte NPA-(Asn-Pro-Ala-)løkker som kommer sammen apeks mot apeks i sentrum av proteinet for å danne en type timeglassform. Det er påvist at vannbevegelsen er symmetrisk og kan skje i begge retninger; dette faktum er viktig fordi denne prosess forbruker ikke energi. Vann beveger seg gjennom membranen i en spesiell retning på grunn av hydraulisk eller osmotisk trykk.

I henhold til dette kan renset vann oppnås fra ikke-drikkbare kilder eller, hvis kildevannet inneholder kjemikalier av interesse, kan vannet fjernes selektivt og etterlate en høy konsentrasjon av øns-kede kjemikalier i innløpskammeret. Viktig er imidlertid at akvaporinene også er egnet for oppfinnelsen av grunner andre enn den eksklusive selektivitet forvann. Mange medlemmer av denne proteinfamilie er i stand til å motstå de grove betingelser fra kontaminerte vannkilder uten å miste sin funksjon. Akvaporiner motstår denaturering eller påkjenninger fra eksponering til syrer, spen-ninger, detergenter og varme. Derfor kan membranene ifølge oppfinnelsen benyttes for å rense kildevann som er forurenset med materialer som ellers ville tilstoppe eller ødelegge andre membraner, og kan benyttes på områder som erfarer konsekvent høye temperaturer.

Akvaporiner er også muterbare. Fordi proteinene spesifikt kan uttrykkes i vertsbakterier i henhold til en genetisk sekvens som påvirker den endelige form og funksjon, kan en fagmann lett forandre dens genetiske kode for å forandre proteinets karakteristika. Derfor kan proteinet konstrueres til å oppfylle en ønsket oppgave som kan være forskjellig fra proteinets opprinnelige funksjon. Ved for eksempel ganske enkelt å forandre en spesiell aminosyrerest nær sentrum av vannkanalen til cys-tein, vil de fremstilte akvaporiner binde alt fritt kvikksølv i oppløsningen og stoppe transport av vann på grunn av blokkering. Således vil disse mutante proteiner, benyttet i en membraninnretning, de-tektere kvikksølvkontaminering i en vannprøve ved ganske enkelt å stanse flommen når konsentrasjonen av den toksiske substans blir for høy.

Til slutt er de nye, proteinbaserte membraner også meget rimelige å fremstille. Lipidmikrovesikler omfattende cellemembranfraksjoner med AQP1 avledet fra bovin røde blodlegemer er en billig kilde for akvaporin.

Alternativt kan akvaporin høstes i milligrammengder fra en konstruert E. coli-bakteirestamme. Det er anslått at rundt 2,5 mg rent protein kan oppnås fra hver liter kultur hvor proteinet fremstilles, jamfør USSN 2004/0049230.

Således beskrives det her metoder og apparaturer som benytter biologiske komponenter for å oppnå den høyeffektive produksjon av fullstendig rent vann fra forurenset, salt eller på annet måte urent vann. Oppfinnelsen viser integrering av vanntransporterende, biologiske proteiner med en ekstern innretning og viser vei mot en fremstillingsvei som er i stand til storskalaproduksjon av vannrenseinnretninger.

Det første aspekt ved oppfinnelsen

I det ovenfor beskrevne første aspekt ved oppfinnelsen omfatter vannmembranen en sandwich-konstruksjon med minst to permeable bærersjikt atskilt av minst et lipidbisjikt omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

Vannmembranen ifølge det første aspekt ved oppfinnelsen består således av en amfifilisk lipidmembran, for eksempel som en membran omfattende lipider som beskrevet i tabell 1. Således er det eller de lipide bisjikt i det vesentlige av amfifiliske lipider valgt fra gruppen bestående av fosfolipider, fosfoglyserider, sfingolipider og kardiolipin så vel som blandinger derav, for eksempel fosfolipider som 1,2-dipalmitoyl-sn-fosfatidylkolin (DPPC) eller blandinger av fosfolipider.

Alternativt kan lipidbisjiktene bestå i det vesentlige av eller inneholde polymeriserbare lipider, jam-før tabell 1.

Vannmembranen ifølge oppfinnelsen omfatter således rekonstituerte akvaporinvannkanaler på en porøs bærer. Brukbare bærermaterialer med en hydrofil overflate for fremstilling av vannmembraner ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis valgt blant glimmer som muskovitt, glimmerbånd, polysulfon, AI02og polymermaterialer med en hydrofil overflate, for eksempel cellulose. Bærermaterialene er i det vesentlige plane, noe som betyr at bæreren fortrinnsvis er plan, men en krumming av bæreren er tillatt, slik det for eksempel er nødvendig når det fremstilles spiralviklede filtre. I dette tilfellet er bærermaterialer fortrinnsvis fleksible, for eksempel som cellulosemembraner.

Den porøse bærer kan fortrinnsvis omfatte et materiale som glimmer med en i det vesentlige plan struktur med en hydrofil overflate og der mikro- eller nanoporer er tildannet, for eksempel ved etsing. Således omfatter i en utførelsesform ifølge det første aspekt det permeable bærersjikt et i det vesentlige plant, hydrofilt sjikt omfattende glimmer eller glimmerbånd med en sjikttykkelse i mm til pm skala og der nanoporer med en diameter mindre enn rundt 50 nm (typisk i området 10-40 nm) er tildannet (for eksempel ved etsing som ved en "spor"-etseteknikk). Glimmeret er fortrinnsvis muskovitt.

De permeable bærersjikt kan også omfatte en hydrofilisert membranoverflate, for eksempel en membran valgt fra gruppen bestående av slikonmembraner, polysulfon, AIO2og polymerer som cellulose med en hydrofil overflate, der nanoporer med en diameter mindre enn rundt 50 nm (typisk i området 10-40 nm) er tildannet.

Lipidmembranen omfattende akvaporinkanaler kan være et bisjikt som minner om den naturlige konstitusjon hos biologiske cellemembraner, eller lipidmembranen kan bestå av flere bisjikt av fuserte, avsatte lipidvesikler. Lipidene er fortrinnsvis av amfifil art, som fosfolipider (eller fosfoglyserider), sfingolipider og kardiolipin. Når man avsetter lipidsjiktene på det porøse substrat, kan akvaporinkanalene fortrinnsvis anordnes nær eller i de på forhånd eksisterende porer i bærermaterialet.

Der permeable eller porøse bærer som benyttes i foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, er fortrinnsvis fremstilt i henhold til R.M. Webber, J.L. Anderson, M.S. John, Macromolecules 23

(1990), 1026-1034, der det beskrives at: "Membranene ble fremstilt fra tynne ark av muskovittglimmer, tykkelse rundt 7 nm, ved en spo-retseteknikk. Med sporetsede membraner blir porer dannet ved å etse sporene som skapes av kollimerte fisjonsfragmenter fra en Californium 252-kilde med en flussyreoppløsning. Antall porer

(n) kontrolleres ved eksponeringstiden av membranen til fisjonskilden mens poreradius bestemmes av etsetid, temperatur og konsentrasjon av det vandige flussyrebad. Porene er av enhetlig størrel-se og loddrette på membranoverflaten. Enhetligheten for porestørrelsen er en viktig faktor ved disse membraner fordi en signifikant porestørrelsesfordeling ville føre til tvetydige resultater for den hydrodynamiske tykkelse av polymersjiktet på grunn av gal strømning gjennom disse porer. Pore-tverrsnittsarealandelen for den bestrålte del av membranene var rundt 1 %; derfor var det totale antall enkeltporer, modellert ved en binominell porestørrelsesfordeling, større enn 96 %. Poreleng-den (1) var lik membrantykkelsen fordi porene var loddrett på membranflaten; tykkelsen ble bestemt fra de kjente dimensjoner og vekten for membranen."

Det er foretrukket å oppnå et endelig antall og fordeling av porer som omtrent er lik antallet og for-delingen av akvaporinkanaler i lipidsjiktet.

Det andre aspekt ved oppfinnelsen

Det er også mulig å rekonstituere akvaporinvannkanaler i et plant lipidbisjikt som er satt sammen rundt en porøs bærermembran med en hydrofob overflate, for eksempel en teflonfilm, der lipidmonosjiktene ligger på hver side av den porøse bærermembran. I porene på en porøs bærermembran vil lipidbisjiktene anordnes der akvaporinvannkanaler kan rekonstitueres.

Det andre aspekt ved oppfinnelsen består således av en vannmembran omfattende en sandwich-Irnnctri ilrcirm mod mi net tri linirlmnnnciilrt enm når Ho or catt cammon til ot hiciilrt nmfattor funlrciri- nelle akvaporinvannkanaler idet nevnte minst to lipidmonosjikt er atskilt av minst et permeabelt bærersjikt. Typisk består bærersjiktet av et hydrofobt, perforert materiale som danner kontaktoverflaten med lipidmonosjiktene og der lipidbisjiktet dannes i perforeringene av det hydrofobe, perforerte materiale.

Det er foretrukket at det hydrofobe materiale har en hydrofobisitetsgrad tilsvarende en kontaktvinkel på minst 100 ° mellom en dråpe av deionisert vann og det hydrofobe materiale, der kontaktvinkelmålingen gjennomføres ved 20 °C og atmosfærisk trykk, men der høyere garder av hydrofobisi-tet er foretrukket som det som tilsvarer kontaktvinkler på minst 105 °, 110 ° og 120 °. Foretrukne, hydrofobe materialer er parafilm eller Teflon.

Det hydrofobe materialet er typisk plant, (men kan være fleksibelt og således krummet,) og perforeringene er typisk jevnt fordelt og i det vesentlige alle av i det vesentlige samme geometriske form i mellomplanet mellom de 2 overflater av det hydrofobe materialet; detaljer hva angår perforeringene i det hydrofobe materialet er gitt nedenfor.

"Intermediatplanet" er definert som det plan som består av punkter hvorfra den loddrette avstand til hver av de 2 overflater av det plane, hydrofobe materiale er den samme.

Størrelsen for perforeringene i det hydrofobe materialet skal kun sikre at stabile bisjikt av amfifile lipider kan tildannes i perforeringene, slik at disse kan ha størrelser i nm-, pm- eller mm området.

Det hydrofobe materialet er fortrinnsvis perforert på en slik måte at forholdet mellom perforerings-arealet og ikke-perforert areal av materialet maksimaliseres fordi dette gir et maksimalt areal av lipidbisjikt med akvaporiner for å bevirke vanntransport. Mønsteret som utgjør perforeringene er således av viktighet da dette er avstanden mellom hver perforering. Et optimalt mønster er et hek-sagonalt arrangement av perforeringene med en minimal "veggtykkelse" mellom hver perforering i mønsteret. Imidlertid har et kvadratisk mønster også vist seg tilstrekkelig.

Vannmembranen ifølge det andre aspekt ved oppfinnesen omfatter således også en amfifil lipidmembran som en membran omfattende lipider som beskrevet i tabell 1. Således består lipidbisjiktet eller -bisjiktene i det vesenlig av amfifile lipider valgt fra gruppen bestående av fosfolipider, fosfoglyserider, sfingolipider og kardiolipin, så vel som blandinger derav, for eksempel fosfolipider som 1,2-dipalmitoyl-sn-fosfatidylkolin (DPPC), eller blandinger av fosfolipider. Forskjellen fra det første aspekt er primært at membranen kun består av et bisjikt i områder der den hydrofobe bærer er perforert mens lipidene er organisert med sine hydrofobe ender mot den hydrofobe bærer og de hydrofile ender mot den vandige omgivelse.

Fremstilling av bisjikt

Den iboende permeabilitet for membranmaterialet må sikres. Et materiale med lav permeabilitet er å foretrekke, imidlertid må det samtidig være robust og i stand til å inkorporere akvaporiner for å gi an tntalt eta hil nn tott filtrarinncannrHninn Fn rc Hol li no nmcoHuror hon\/ttoc wanlinwic fnr å fram- stille bårede lipidbisjikt. En enkel teknikk er Langmuir-Blodgett-metoden. En oppløsning av lipid i et egnet organisk oppløsningsmiddel spres ut på en vandig subfase i et Langmuirtrau, og det organiske sjikt fordampes. Et par bevegelsesbarrierer benyttes for å presse lipidfilmen lateralt til et ønsket overflatetrykk. Deretter blir substratet ført vertikalt gjennom filmen for derved å overføre et en-molekyltykt lipidsjikt (monosjikt) til substratet (se fig. 12). Et andre monosjikt kan overføres ved å føre substratet gjennom filmen en gang til. Til sammen tre monosjikt er overført ved den vertikale (Langmuir-Blodgett) avsetningsmetode, imidlertid kan et fjerde sjikt overføres ved bruk av horison-tal, såkalt Langmuir-Schaeffer-(LS-)avsetning for det siste sjikt. Metodene kan benyttes med et antall lipider. Native biologiske membraner er ofte asymmetriske. Både LB og LS gir muligheten for å fremstille asymmetriske bisjikt. Dette skjer ved å bytte ut lipidfilmen på subfasen mellom avset-ningene.

En annen måte for fremstilling av bårede bisjikt er vesikkelfusjonsmetoden (Brian and McConnell 1984). En oppløsning av små, unilamellære vesikler (SUVer) bringes på overflaten av et stykke av hydrofilisert silisium eller nyspaltet glimmer. Når denne prøve etterlates ved lav temperatur (4 °C), fuserer vesiklene med overflaten og gir et kontinuerlig bisjikt (fig. 13). Uten å ønske å være bundet av noen teori, hypotetiseres det at vesiklene først adsorberer til overflaten av substratet og fuserer så for å gi en flat, pannekakeliknende struktur, og til slutt brytes den opp og spres ut og resulterer i et enkelt bisjikt på overflaten (Reviakine and Brisson 2000). Det er også antydet at etter fusjon med substratet er kun den del av vesikkelen som er i direkte kontakt med substratet det fremtidige bårede bisjikt (Leonenko et al. 2000). Med denne mekanisme brytes vesiklene ved kantene med den høyeste krumming, og toppdelen av bisjiktet kan så migrere til overflaten av substratet for å øke størrelsen av det dannede bårede bisjikt. Det er rapportert at bisjikt dannes i løpet av minutter etter påføring av oppløsningen på substratet (Tokumasu et al. 2003), men denne korte inkuberingstid kan resultere i ufullstendige bisjikt. Timer eller over-natt-inkubering er også rapportert (Reimhult et al. 2003, Rinia et al. 2000).

En tredje teknikk som kan benyttes for å fremstille bårede bisjikt, er spinnbelegning (Reimhult et al. 2003, Simonsen and Bagatolli 2004). Ved spinnbelegning blir lipidet oppløst i et egnet oppløs-ningsmiddel, og en dråpe anbringes på substratet som så roteres mens oppløsningsmidlet fordam-per og et lipidbelegg dannes. Avhengig av konsentrasjonen av lipidoppløsningen består den spinn-belagte film av ett eller flere lipidbisjikt. Ved hydratisering er imidlertid de flere sjikt vist å være ustabile og vanligvis forblir kun et båret bisjikt på overflaten (fig. 14). Denne prosedyre er lett og hurtig, og den har vært gjennomført med lavtsmeltende lipider (POPC) så vel som lipider med mel-lomliggende (DPPC) og meget høy overgangstemperatur (ceramid). Brukbare lipider inkluderer for eksempel fosfolipider og amfifile lipider.

Når man i tillegg ønsker å inkorporere peptider og proteiner i de bårede bisjikt, er vesikkelfusjons-teknikken den mest anvendelige fordi de andre prosedyrer som er nevnt, involverer oppløseliggjø-ring av proteinene eller peptidene i organiske oppløsningsmidler. Mange membranproteiner kan rlonotnroro ! nr/ioniclro rtnnlAonin/iomirllor onocialt hwio Ha innohAlHar otrtro Hnmonnr cnm olrenA. neres til den vandige oppløsning på begge sider av membranen. Det er derfor foretrukket å innføre peptidene eller proteinene i vesikler. Mange peptider eller proteiner som akvaporiner kan være medoppløseliggjort med lipid i det organiske oppløsningsmiddel før dannelse av vesikler, og pepti-det inneholdende vesiklene blir så brakt på substratet. Dette har vært gjort med et antall peptider, for eksempel WALP (Rinia et al. 2000), gramicidin (Mou et al. 1996), klavanin A (van Kan et al. 2003) og amyloid p-protein (Lin et al. 2001). Membranproteiner som akvaporiner innføres fortrinnsvis i vesikler ved andre midler. Dette kan skje ved bruk av strategiene for rekonstituering av membranproteiner inn i vesikler som beskrevet for cytokrom c oksidase som et modellprotein i introduksjonen til kapittel 4 på sidene 41-45 av det arbeidet "Supported bilayers as models of biological membranes" av Danielle Keller, februar 2005, MEMPHYS-centerfor biomembrane physics, Physics Department, Univercity of Southern Denmark and Danish Polymer Centre, Risø National Laboratory, Danmark ansett som del av foreliggende beskrivelse.

Muttisjiktstabling av de individuelle 2D-anordninger er mulig å kan være ønskelig. Sluttdimensjone-ne for de stablede analyser vil avhenge av den totale robusthet og den iboende permeabilitet for den valgte sammensetning av membranmateriale i membranen. Stabelen kan gå ut fra et system der proteiner trivielt er innleiret i et enkelt, sannsynligvis båret, lipid bisjikt. En etterfølgende serie av kollapsende vesikkelevenementer på det bårede bisjikt kan så gi multisjiktsfiltreringsenhets-innretinger, gitt at vesiklene i utgangspunktet er rekonstituert med et egnet akvaporin. Innarbeiding av den stablede enhetsinnretning i en stabiliserende membran eller stabiliserende polymermatriks og etterfølgende sammenhefting av disse individuelle enheter, vil gi en total filtreringsduk, eventuelt via autosammensetningsprosesser.

Felles trekk ved aspektene ifølge oppfinnelsen

Et antall trekk er felles for de forskjellige aspekter ved oppfinnelsen:

Brukbare akvaporiner for fremstilling av vannmembraner ifølge oppfinnelsen er: AQP1, TIP, PIP, NIP, jamfør fig. 8, og blandinger og hybrider derav. Akvaporinene av planteopprinnelse er spesielt ønskelige fordi risikoen for å inkludere kontaminanter som patogene vimser og prioner, som er skadelige for mennesker, er sterkt redusert. I tillegg er planteakvaporiner naturlige genprodukter av planter og kan overuttrykkes og produseres i planter.

Akvaporinvannkanaler! er således fortrinnsvis valgt fra gruppen bestående av akvaglyseroporiner (GLpF), som en GLPA-kanal, en GLPB1-kanal, en GLPB2-kanal, en GLPB3-kanal og en GLPY2-kanal og blandinger og hybrider derav.

Vannmembranene ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis innelukket i en stabiliserende, permeabel eller porøs membran som kan være stiv eller fleksibel og som kan tjene som beskyttelse av vannmembranen, så vel som et pre-filter for å ekskludere grovt, partikkelformig materiale fra den vandige væske som skal renses. Alternativt eller i tillegg kan vannmembranen ifølge oppfinnelsen avsettes på en filterplate for å danne et vannfilter.

Brukbare materialer for den stabiliserende membran som eventuelt benyttes for å lukke vannmembranene ifølge oppfinnelsen, er mikroporøse silikonmembraner med relativt liten porestørrelse og som størkner ved rundt romtemperatur eller ved en temperatur under rundt 50 °C.

Brukbare lipider for rekonstituering av akvaporiner og dannelse av lipide bisjikt er: POPC, DPPC, ceramid, jamfør tabell 1, og blandinger derav.

Tabell 1 er en liste over brukbare lipider for dannelse av lipide bisjikt for anvendelse i vannmembranene ifølge oppfinnelsen:

Fosfatidylkoliner:

1,2-dimyristoylfosfatidylkolin (DMPC)

1,2-dipalmitoylfosfatidylkolin (DPPC)

1,2-distearoylfosfatidylkolin (DSPC)

1,2-dioleoylfosfatidylkolin (DOPC)

1,2-dimyristoleoylfosfatidylkolin

1,2-dipalmitoleoylfosfatidylkolin

1,2-dipetroselinoylfosfatidylkolin

1,2-dielaidoylfosfatidylkolin

1,2-d i I i n o leoy Ifosfatidy I ko li n

1,2-dilinolenoylfosfatidylkolin

1,2-dieikosenoylfosfatidylkolin

1,2-diarakidonoylfosfatidylkolin

1,2-dierukoylfosfatidylkolin

1,2-dnervonoy Ifosfatidy Ikolin

1-palmitoyl-2-oleoylfosfatidylkolin (POPC)

1-palmitoyl-2-linoleoylfosfatidylkolin

1-palmitoyl-2-arakidonoylfosfatidylkolin

1-palmitoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylkolin

1 -stearoyl-2-oleoylfosfatidylkolin (SOPC)

1-stearoyl-2-linoleoylfosfatidylkolin

1-stearoyl-2-arakidonoylfosfatidylkolin

1-stearoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylkolin

1-oleoyl-2-palmitoylfosfatidylkolin

1-oleoyl-2-stearoylfosfatidylkolin

1-didokosaheksaenoylfosfatidylkolin

Fosfatidyletanolaminer:

1,2-dimyristoylfosfatidyletanolamin (DMPE) 1,2-dipalmitoylfosfatidyletanolamin (DPPE) 1,2-distearoylfosfatidyletanolamin (DSPE) 1,2-dioleoylfosfatidyletanolamin (DOPE) 1-palmitoyl-2-oleoylfosfatidyletanolamin (POPE) 1-palmitoyl-2-linoleoylfosfatidyletanolamin 1-palmitoyl-2-arakidonoylfosfatidyletanolamin 1-palmitoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidyletanolamin 1-stearoyl-2-oleoylfosfatidyletanolamin (SOPE) 1-stearoyl-2-linoleoylfosfatidyletanolamin 1-stearoyl-2-arakidonoylfosfatidyletanolamin 1-stearoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidyletanolamin 1,2-dielaidoylfosfatidyletanolamin 1,2-dilinoleoylfosfatidyletanolamin 1,2-dilinolenoylfosfatidyletanolamin 1,2-diarakidonoylfosfatidyletanolamin 1,2-didokosaheksaenoylfosfatidyletanolamin 1,2-dipalmitoleoylfosfatidyletanolamin Fosfatidylglyceroler: 1,2-dimyristoylfosfatidylglycerol (DMPG) 1,2-dipalmitoylfosfatidylglycerol (DPPG) 1,2-distearoylfosfatidylglycerol (DSPG) 1,2-dioleoylfosfatidylglycerol (DOPG) 1-palmitoyl-2-oleoy Ifosfatidy lg lycerol (POPG) 1-palmitoyl-2-linoleoylfosfatidylglycerol 1-palmitoyl-2-arakidonoylfosfatidylg lycerol 1-palmitoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylg lycerol 1 -stearoyl-2-oleoylfosfatidyIglycerol (SOPG) 1-stearoyl-2-linoleoylfosfatidylglycerol 1-stearoyl-2-arakidonoylfosfatidylglycerol 1-stearoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylg lycerol Fosfatidylseriner: 1-palmitoyl-2-oleoylfosfatidylserin (POPS) 1-palmitoyl-2-linoleoy Ifosfatidy Iserin 1-palmitoyl-2-arakidonoylfosfatidylserin 1-palmitoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylserin 1 -stearoyl-2-oleoylfosfatidylserin (SOPS) 1-stearoyl-2-linoleoylfosfatidylserin

1-stearoyl-2-arakidonoylfosfatidylserin

1-stearoyl-2-dokosaheksaenoylfosfatidylserin 1,2-dimyristoylfosfatidylserin (DMPS)

1,2-dipalmitoylfosfatidylserin (DPPS)

1,2-distearoylfosfatidylserin (DSPS)

1,2-dioleoylfosfatidylserin (DOPS)

1,2-didokosaheksaenoylfosfatidylserin

1,2-dierukoylfosfatidylserin

Spesielle lipider:

Kardiolipin

Bipolare lipider

Naturlige lipidekstrakter:

Eggeplommefosfatidylkolin

Bovinhjertefosfatidylkolin

Hjernefosfatidylkolin

Bovinleverfosfatidylkolin

Soyabønnefosfatidylkolin

E. Coli fosfatidyletanolamin

Bovinhjertefosfatidyletanolamin

Hjernefosfatidyletanolamin

Bovinleverfosfatidyletanolamin

Eggefosfatidyletanolamin

Bovinleverfosfatidylinositol

Soyabønnefosfatidylinositol

Hjernefosfatidylserin

Soyafosfatidylserin

Polymeriserbare lipider: 1,2-di-10,12-trikosadiynoyl-sn-glycero-3-fosfokolin (DTPC) 1,2-di-10,12-tirkosadiynoyl-sn-glycero-3-fosfoetanolamin (DTPE) 1-palmitoyl-2,10,12-trikosadiynoyl-sn-glycero-3-fosfoetanol-amin (PTPE)

(DC8,9PC [1,2-bis(10,12-trikosadiynoyl)-sn-glycero-3-fosfo-kolin] diPhyPC [1,2-difytanoyl-sn-glycero-3-fosfokolin]

Vannbehandlingssystemer og vannfiltreringsinnretninger

I en utførelsesform har oppfinnelsen form av en konvensjonell filterplate fordi den er lett å sette sammen for funksjonalitet. For å fremstille en slik blir et bisjikt av fosfolipidmembran omfattende funksjonelt akvaporinprotein avsatt på overflaten av en 25 mm kommersiell ultrafiltreringsskive ved bruk av et Langmuir-Blodgett-trau. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen blir vannmembranen viklet opp i spiralform, eventuelt sammen med konvensjonelle membraner, for å gi en spi-ralviklet RO-modul, jamfør fig. 10 og 11.

Filterskiven monteres i et lukket kammer med et innløp og et utløp, for eksempel et filterskivekam-mer forbundet via et rør med en vannkilde med en pumpe som presser trykksatt kildevann gjennom membranen og ut gjennom utløpet. Innretningen anses funksjonelt når kun rent vann kommer gjennom den andre side av membranen og forurensende solutter forblir konsentrert i utgangskam-meret. Den forurensede oppløsning må trykksettes for å overvinne den naturlige tendens hos rent vann til å strømme inn i den del av kammeret som har det høyere antall oppløste partikler og således overvinne det osmotiske trykk for vannet som er rundt 10 psi for drikkevann. Det er hensikten med vannmembranen ifølge oppfinnelsen å reversere osmose og å separere rent vann fra forurensende solutter. Denne tendens, eller det osmotiske trykk, for systemet kan uttrykkes i pund per kvadrat tomme (psi). For eksempel er det osmotiske trykk for sjøvann i området 360 til 400 psi.

Det finnes flere metoder som kan benyttes for å tillate innretningen å tolerere disse typer trykk. En metode er å tilsette en høy konsentrasjon ev en ikke-toksisk og lett fjernbar solutt til ferskvanns-kammeret for å oppmuntre regulær osmose gjennom membranen, mens revers osmose også inntrer på grunn av kammertrykksettingen. Videre kan trykket som kreves for revers osmose, reduse-res ved å benytte flere akvaporinmembraner i en kaskade av forseglede, forbundne kamre inneholdende suksessivt mindre konsentrasjoner av kontaminanter. Det resulterende trykk som kreves for å rense vann i hvert par av kamre, er en brøkdel av det totale trykk som er nødvendig for revers osmose. Derfor må hver membran kun motstå et lite trykk og har en større sjanse for å forbli intakt. Hvis således differansen i konsentrasjon mellom hvert par av kamre kun var 10 % i stedet for 100 %, ville kun 10 % av det høye trykk som nevnes ovenfor være nødvendig for å rense kildevannet ved hver stasjon. Rent vann ville kontinuerlig produseres i det siste kammer under konstant trykk og strøm.

Akvaporinreversosmosemembranen kan rense vann med forskjellige typer forurensing i kun et enkelt trinn. Tradisjonelle høyrenhetssystemer krever flere komponenter som kan inkludere en vannmykner, karbonfiltre, ionebyttere, UV-sterilisering eller kjemisk sterilisering, og etto-pass re-versosmosefilter satt opp for bruk i forbindelse før renset vann kan fremstilles. Dette oppsett kan ikke fjerne oppløste gasser eller substanser mindre enn 150 Dalton fra kildevannet slik akvaporin-membranen kan. Videre krever alle disse komponenter vedlikehold. UV-lamper krever erstatning og energi. Ionebyttere må kjemisk regenereres når de er fulle. Myknere krever salt. Karbon- og reversosmosepatroner må erstattes når de blir tilgrodde. Til slutt vil en enkelttrinnsinnretning kreve meget mindre rom og vekt som ligger langt under et typisk rensesystem og denne fordel muliggjø-res ved innretningen omfattende akvaporinvannmembranen ifølge oppfinnelsen å være bærbar. Akvaporinmembraner er også hurtigere enn konvensjonelle systemer. En konvensjonell høyhastig-hetsreversosmoseenhet kan produsere rundt 28,4 liter rent vann per minutt. Ny forskning viser at bevegelsen av vannmolekyler gjennom en akvaporinmettet lipidmembran (0,0177 mm<2>) foregår i en hastighet på 54 umol/sekund (Pohl, P., Saparov, S. M., Borgnia, M.J., and Ågre, P., (2001), Proceedings of the National Academy of Sciences 98, s. 9624-9629). Således vil en teoretisk akvaporinreversosmosemembran med et overflateareal på 1,0 m<2>kunne filtrere 3295 liter rent vann per minutt. Denne hastighet er over 116 ganger høyere enn en normal renser.

Foreliggende oppfinnelse angår i nok et aspekt et system for behandling av vann for å fjerne kjemiske, radiologiske, biologiske og/eller partikkelkontaminanter idet et slikt system omfatter en husenhet med et innløp anordnet for forbindelse til en ekstern vannkilde, og der husenheten i seg har anordnet en eller flere vannfiltreringsenheter omfattende en vannmembran ifølge oppfinnelsen, anordnet for å behandle vann fra den eksterne vannkilde for å gi en ultraren vannstrøm, og der en slik husenhet består av et utløp for å slippe ut nevnte ultrarene vann. Eksempler på slike behand-lingssystemer er reversosmosefiltreringsinnretninger.

Det er imidlertid i slike også mulig å bytte ut en vannmembran ifølge oppfinnelsen med andre membraner omfattende funksjonelle akvaporiner, for eksempel de akvaporinholdige membraner som beskrevet i US 2004/049230. Det antas at slike vannbehandlingssystemer og filterinnretninger som beskrevet her, er inventive perse, uansett den nøyaktige art av akvaporinholdig membran.

Således inkluderer foreliggende oppfinnelse også en revers- osmosevannfiltreringsinnretning for produksjon av avsaltet vann fra en saltvannskilde, der det avsaltede vann er nyttig for irrigasjons-ag ri ku It ur og/eller som drikkevann, der minst en del av en siste reversosmosefiltreringsmembran(er) er erstattet med en vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler som en membran ifølge oppfinnelsen. Tilsvarende inkluderer oppfinnelsen også en reversosmosevannfiltreringsinnretning for fremstilling av ultrarent vann fra en råvannskilde der det ultrarene vann er nyttig i halvlederindustrien og/eller i den farmasøytiske industri, der minst en av en siste reversosmosefiltreringsmembran(er) er erstattet med en slik vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler. Videre angår oppfinnelsen en reversosmosevannfiltreringsinnretning for produksjon av vann fra en råvannskilde som kan utnyttes i kommunevannindustrien, den kjemiske industri, drikkevannsindustrien, næringsindustrien, den elektroniske industri, olje- og gassindu-strien, raffineriindustrien, masse- og papirindustrien, metallindustrien, gruveindustrien og i energi-industrien, der minst en av de siste reversosmosefiltreringsmembraner er erstattet med en slik vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler. Typisk blir et osmotisk trykk lagt på nedstrømssiden av nevnte vannmembran for å drive strømmen av vann. Det osmotiske trykk oppnås typisk fra en konsentrert oppløsning med et høyere osmotisk trykk enn vannkilden som skal renses.

Foreliggende oppfinnelse angår også en vannfiltreringsinnretning for ekstrahering og oppnåelse av vann fra kroppsfluider som urin, melk og svette/perspirering, omfattende en vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler, slik som en vannmembran ifølge oppfinnelsen.

Vannrensesystemet/fittreringsinnretningen ifølge oppfinnelsen kan videre omfatte en partikkelfiltreringsmodul oppstrøms vannmembranenheten for forbehandling av vannstrømmen og for å fjerne minst en del av de partikkelformige kontaminanter fra denne.

En slik partikkelfiltreringsmodul bevirker reduksjon av byrden på nedstrømsvannfiltreringsenheten slik at mindre trykk kreves for en tilstrekkelig strømning av vannstrømmen og forbedrer derved energiforbruket for det totale system og derved driftseffektiviteten.

Partikkelfiltreringsmodulen omfatter fortrinnsvis ett eller flere filtreringselementer som er valgt fra gruppen bestående av (a) hulfibermembranseparatorer og (b) ultrafiltreringselementer. Multiple hulfibermembranseparatorer og ultrafiltreringselementer kan benyttes på en alternerende måte for å maksimalisere partikkelfjerningskapasiteten for slik spesiell filtreringsmodul.

Filtreringselementene omfatter fortrinnsvis tangensialstrøm- eller krysstrømfiltreringsinnretninger som velkjent i teknikken, for å forhindre blinding av fittreringsoverflaten.

For å redusere ømfintligheten for en slik partikkelfiltreringsmodul mot svikt i individuelle filtre og for å redusere systemstengningstiden under rengjøring og vedlikehold av individuelle filtre, omfatter en slik partikkelfiltreringsmodul fortrinnsvis flere parallelt anordnede filtreringselementer, hver av hvilke gir en uavhengig filtre ringsvei for vannstrømmen.

Et preliminært filter oppstrøms en slik partikkelfiltreringsmodul benyttes fortrinnsvis og kan for eksempel ha en porøsitet i et område rundt 10 pm til rundt 20 pm, for å filtrere ut store partikler (som faste partikler, sporer og bakterier) fra vannstrømmen, og forlenge levetiden for filtrene som benyttes i nedstrømspartikkelfiltreringsmodulen.

En slik kontamineringsfjerningsenhet kan omfatte enten en nanofiltrerings-(NF-)modul eller en re-versosmose-(RO-)modul for fjerning av ioner fra vannstrømmen. RO-modulen benyttes konvensjo-nelt for slike formål og har vist seg å være effektiv. Videre krever nanofiltrering mindre trykk og mindre energi og vannforbruk sammenliknet med RO-moduler.

Vannbehandlingssystemet ifølge oppfinnelsen kan videre omfatte en hydraulisk akkumulatortank inn i hvilken det behandlede vann strømmes, for å opprettholde et jevnt trykk i systemet og for å gi en i det vesentlige konstant vanntilførsel til nedstrøms vannforbruksenheten.

Vannbehandlingssystemet ifølge oppfinnelsen kan videre omfatte en vannkvalitetsovervåkningsmodul som kontinuerlig overvåker en eller flere variabler (for eksempel inkludert, men ikke begrenset til: klorkonsentrasjon, pH verdi, konduktivitet, totalt organisk karbon, oppløst oksygen, kjemisk oksygenbehov, turbiditet og radioaktivitet) som er indikerende på kvaliteten for vannstrømmen som behandles, som sammenlikner slike variabler mot en bunnlinjeverdi bestemt ved tidligere observer-te verdier for slike variabler, identifiserer et signifikant avvik fra en slik bunnlinjeverdi og som gir et utgangssignal som indikerer et eventuelt avvik. Automatiske sensorer kan benyttes for å foreta nøyaktige målinger av slike variabler, og en sampler kan benyttes for å samle diskrete vannprøver på regulær basis, som tillater isolasjon av en prøve fra tidsrammen når et avvik inntrer. Forskjellige analytiske prosedyrer kan så utføres på en slik prøve, for eksempel for å identifisere kontaminan-tene i vannet som forårsaker avviket. Denne vannkvalitetsovervåkningsmodul kan videre skru på eller skru av vannbehandlingssystemet etter behov, og/eller varsle myndighetene om at vannkvali-teten ikke tilfredsstiller på forhånd fastlagte drikkevannskvalitetsstandarder.

Vannbehandlingssystemet ifølge oppfinnelsen kan enten være fast eller transporterbart. Det er fortrinnsvis konstruert og anordnet for kjøretøytransport og utsending slik at det kan benyttes for å gi vannrensing på fjerntliggende steder.

Systemet ifølge oppfinnelsen er i stand til å kunne konfigureres med forskjellige komponenter i en parallell og/eller seriemodul for å øke systemets pålitelighet og den totale systemytelse. Det vil videre erkjennes at systemet og utførelsesformene som beskrives her, kan benyttes på funksjonelt omfattende måter for å effektuere fullstendig fjerning av kontaminanter fra vann.

Systemet/vannfiltreringsinnretningen er nyttig for rensing av vann og oppfinnelsen angår også, som angitt ovenfor, metoder for rensing av vann, der metodene omfatter at vannet føres gjennom et system/en innretning ifølge oppfinnelsen. Det således oppnådde vann vil være i det vesentlige fritt for ioner, partikler, organiske stoffer og kolloider, fordi slike deler er holdt tilbake i innretningen.

Hydrofobe filmer

Slik det fremgår fra beskrivelsen ovenfor av det andre aspekt ved oppfinnelsen, det vil si vannmembranen som kan omfatte et hydrofobt materiale i et intermediatstøttesjikt flankert av lipidmonosjikt, er det mulig å fremstille et materiale i form av en hydrofob film omfattende jevnt fordelte perforeringer med enhetlig størrelse og form. Slike hydrofobe filmer antas å være oppfinneriske per se.

Det beskrives en hydrofob polymerfilm omfattende multiple perforeringer der disse er jevnt fordelt i filmen og alle av i det vesentlige samme geometriske form i mellomplanet mellom de 2 overflater av filmen. Når slike perforeringer hver har et åpningsareal som er tilstrekkelig stort til å tillate passasje av vanndamp, men tilstrekkelig lite til å forhindre passasje av flytende vann, for eksempel et areal i området mellom 100 nm<2>til 1 mm<2>, vil filmen funksjonere på en måte ekvivalent med materialer som Goretex®, det vil si at filmen puster, men ikke desto mindre er vanntett. Det antas at filmene er overlegne overfor materialer som en Goretex®-film fordi størrelsen og geometrien for perforeringene er under fullstendig kontroll.

Uttrykket "hydrofob film" ifølge foreliggende kontekst angir et i det vesentlige plant, hydrofobt materiale. Filmen er typisk fleksibel slik at det plane materiale kan innta formen av et krummet plan (det vil si hvis materialet er viklet rundt en akse) for således å gjøre den hydrofobe film egnet som en del av en tekstil i klær og andre fleksible strukturer.

Perforeringene har typisk en maksimal tverrsnittslengde i nm- til mm-området, for eksempel i pm-området, og filmen har typisk en tykkelse i mm- til um-området.

Typisk er den geometriske form for perforeringene valgt blant sirkulære og elliptiske former. Begge former kan lett oppnås når det benyttes laserutstyr for innføring av perforeringer i filmen, for eksempel oppnås sirkulære hull ved å benytte en stillestående laserstråle mens bevegelse av filmen i forhold til laserstrålen (enten ved å bevege filmen eller laserstrålen) under eksponering vil gi en elliptisk eller sågar stavformet perforering. I foretrukne utførelsesformer har perforeringene alle i det vesentlige samme dimensjoner. Filmmaterialet velges typisk blant hydrofobe materialer som beskrevet ovenfor i forbindelse med beskrivelsen av det andre aspekt ved oppfinnelsen.

Ytterligere aspekter, trekk og utførelsesformer ved oppfinnelsen vil fremgå nærmere av den føl-gende beskrivelse og de vedlagte krav.

Eksempel 1

Rekonstituering av AQP- 1 i DPPC lipide vesikler ( proteoliposomer)

Den følgende protokoll er benyttet for å fremstille en vannmembran ifølge oppfinnelsen.

1. Fremstilling av små, unilamellære vesikler (SUVer)

a. Tørr DPPC lipid suspenderes i milli-Q vann for å oppnå en konsentrasjon på 1,3-1,5 mM.

b. Suspensjonen hydratiseres ved inkubering ved 55 °C i 1 time, noe som resulterer i multilamellæ-re vesikler (MLVer). c. SUVer fremstilles ved ekstrudering av MLV oppløsning 12 ganger gjennom to 100 nm polykarbonatfiltre.

d. SUV oppløsningen lagres ved 55 °C.

2. Fremstilling av BioBeads™ (polystyrenkuler)

a. Rundt 4 g BioBeads™ vaskes 5 ganger med milli-Q vann.

b. De skyllede BioBeads™ sonikeres i 1 time under vannsug.

3. Rekonstituering

a. Et egnet volum av SUV oppløsningen pipetteres inn i et Eppendorfrør.

b. 50 pl 20 % Triton X-100 tilsettes.

c. 10 pl AQP-1 i denaturert form i en fosfatbuffer, renset i henhold til metoden som beskrevet av Zeidel et al. (1992) (kons. 0,5 mg/ml) tilsettes.

d. Milli-Q vann tilsettes til et sluttvolum på 200 pl.

e. Oppløsningen inkuberes ved romtemperatur under risting i 15 min.

f. Rundt 75 mg skyllede BioBeads settes til oppløsningen som så inkuberes under risting i 30-45 min.

g. Oppløsningen pipetteres på et rent Eppendorfrør.

h. Trinnene f.-g. gjentas 3 ganger (4 ganger BioBeads til sammen).

i. Proteoliposomoppløsningen er nå klar for bruk.

Figur 9 viser atomkraftmikroskopi (AFM) bilder av DPPC membraner på muskovitt og viser et AFM bilde av rekonstituert AQP1 i DPPC membraner som viser at rekonstitueringen virker og at de bårede bisjikt av de resulterende vesikler er fremstilt. Arealet av de små, sirkulære strukturer i bildene er rundt 36 nm<2>som målt i bildene. Dette tilsvarer godt proteinoverflatearealet i lipidbisjiktet. I gjen-nomsnitt (6 bilder med forskjellig størrelse fra tre forskjellige arealer) dekker proteinet 48 % av overflaten, og lipidet dekker 52 %. Antatt et lipidareal på 0,5 nm<2>er det beregnede lipid:protein-forhold (LPR) 77. De bårede bisjikt ble fremstilt ved vesikkelfusjon av proteoliposomer, fremstilt med en LPR på 50.

Eksempel 2

Dannelse av lipide bisjikt og eventuelt ytterligere multiple bisjikt på porøs muskovittmika for å oppnå en vannmembran som skjematisk illustrert i figur 1.

1. Et stykke muskovittglimmer (rundt 1 cm<2>) spaltes med tape.

2. Umiddelbart etter spalting bringes 25 pl av proteoliposom-oppløsningen fra eksempel 1 på glim-meroverflaten.

3. Prøven inkuberes i 10 minutter ved romtemperatur (21 °C) for å gi det fuserte bisjikt.

4. Etter inkubering vaskes prøven 7 ganger med Milli-Q vann for å fjerne overskytende, ikke-bundede vesikler. 5. Til slutt blir et nyspaltet andre stykke muskovittglimmer avsatt på det dannede lipide bisjikt.

Eksempel 3

Rekonstituering av AQP- 1 i E. Coli lipidekstraktvesikler

E. coli totallipidekstrakt i kloroform ble oppnådd fra Avanti Polar Lipids, (Alabaster, AL). Oppløs-ningsmidler (kloroform, etanol, metanol, dekan) ble alle ervervet fra Sigma-Aldrich (St. Louis, MO). SM-2 BioBeads ble ervervet fra BioRad Laboratories (Hercules, CA). Vannet som ble benyttet i alle preparater var ultrarent Milli-Q vann (18,2 MCI cm-1). Akvaporin-1 som var renset fra bovinerytro-cytter ble oppnådd som en suspensjon av ikke-foldet protein fra Dr. Jan Enghild, Århus universite-tet.

Kloroform ble fordampet fra lipidoppløsningen, og den tørre lipidfilm ble hydratisert med 100 mM KCI i 30 minutter ved 55 °C. Oppløsningen ble vorteksert, og små unilamellære vesikler (SUVer) ble dannet ved føring av oppløsningen 12 ganger gjennom to 100 nm polykarbonatfiltre i en Lipex ekstruder (Northern Lipids, Vancouver, CD). Rekonstitueringsblandingen ble preparert ved tilsetning av Triton X-100 (Sigma) til en sluttkonsentrasjon på 1,25 % (vekt/volum) fulgt av AQP-1 til et lipid:protein-forhold (LPR) på 1 000:1. Proteoliposomer ble dannet ved å fjerne detergenten. Dette skjedde ved adsorpsjon til hydrofobe BioBeads (SM-2). Proteoliposomene ble benyttet enten på fremstillingsdagen eller den derpå følgende dag. Oppløsningen ble lagret ved 4 °C mellom forsø-kene.

Eksempel 4:

Dannelse av planare bisjikt og spenningsklemmestudier: AQP- 1 inkorporert i lipide bisjikt uten økende ionekonduktans

En spenningsklemme kontrollerer (eller "klamper") bisjikt- (eller cellemembran-)potensiale V på et hvilket som helst ønsket nivå. Metoden som benyttes her, måler spenningen over et bisjikt dannet ved et skille mellom to vandige oppløsninger. En AgCI-belagt sølvelektrode anbringes i et kammer og sammenlikner elektronisk denne spenning med spenningen som skal opprettholdes (kalt sty-ringsspenning). Klemmekretsen fører så en strøm tilbake inn i det andre kammer gjennom en andre elektrode. Denne elektroniske tilbakematningskrets holder transbisjiktspenningen på ønsket nivå, selv ved permeabilitetsforandringer. Viktigst er at innretningen tillater samtidig måling av den spenning som trengs for å holde transbisjiktspenningen ved en gitt spenning. Derfor indikerer spenningsklemmeteknikken hvordan membranspenningen påvirker ionestrøm over membranen. Denne innflytelse uttrykkes i et strøm:spennings-(l:V-)forhold.

Plane bisjikt ble dannet fra n-dekanoppløsninger (2,5 % vekt/volum) av E. coli (Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL) gjennom et hull med diameter 1,3 mm inn i en Teflonfordeler som separerer to vandige oppløsninger av ikke-bufret 0,1 M KCI som ble preparert på forsøksdagen. Bisjikt l:V-forsøk ble foretatt ved 22 °C med en AxoPatch 200 forsterker (Axon Instruments, Sunnyvale, CA) ved bruk av AgCI-belagte sølvtråder som elektroder. l:V-protokoller ble satt og data notert ved bruk av Clampex 9.2 program (Axon Instruments, Sunnyvale, CA). Data ble lavpassfiltrert ved en hjørne-frekvens på 500 Hz (-3dB) ved bruk av et åtte-polet Besselfilter (Frequency Devices, Haverhill, MA) og etter 16bit AD-konvertering (DigiData1332A, Axon Instruments, Sunnyvale, CA) lagret på PC (Dell Computers, Austin, Texas) for analyse. Data ble analysert og vist ved bruk av ClampFit 9.2 (Axon Instruments, Sunnyvale, CA) og OriginPro7.5 (OriginLab, Northhampton, MA).

Bisjiktdannelse ble fulgt ved bruk av et stereomikroskop (Zeiss) utstyrt med en kald lyskilde (ln-traLux 5000, Volpi, CH). Etter avsetning av lipid på fordelingshullet forsvant Newtonsk diffraksjons-fargerfra lipidmultisjiktene gradvis, og etter 10 minutter var det etablert en transparent 'svart' lipidmembran omgitt av en tykkere lipid:dekantorus. Denne fortynning ble også reflektert i den temporale utvikling i rotmiddelkvadratet av transbisjiktstrømmen ved null spenning IRMS. Initial IRMS var rundt 1,6 pA og steg til stabil tilstandsverdi på rundt 6 pA, noe som antyder at det var dannet et stabilt bisjikt. Bisjiktdiameteren var rundt 1200 pm. Etter bisjiktdannelse ble transbisjikt- strømmer oppnådd ved bruk av en trinnprotokoll der spenningen ble trinnet fra -100 mV til +90 mV i trinn på 10 mV. Hvert trinn varte 1000 ms med 1000 ms mellom trinnene.

AQP-1 ble innarbeidet i det planare bisjikt etter tilsetning av AQP-1-holdige vesikler til den bisjikt-dannende oppløsning (2:1 vol/vol), og tilsvarende resultater ble oppnådd.

Innarbeiding av AQP-1 i lipide bisjikt forandret ikke ionestrømmene, men forandret tidskonstantene for det AQP-1-holdige bisjikt sammenliknet med kontroll. Til en første approksimering kan den sist-nevnte observasjon interpreteres som forandringer i de effektive dielektrisitetskonstanter for toms og bisjiktet. Dette er sannsynlig da den lavere dielektrisitetskonstant for AQP-1-proteinmaterialet sammenliknet med hydrokarbonmaterialet vil gi opphav til lavere tidskonstanter i både bisjikt og toms.

Eksempel 5

Osmotisk gradientstudier: AQP- 1 innarbeidet i lipide bisjikt ga en osmotisk gradient som førte til en økning i ionekonsentrasjonen i det ikke- omrørte sjiktet på den h<y>potoniske side.

Etter dannelse av lipide bisjikt inneholdende AQP-1 ble det observert en osmotisk gradientdrevet vannfluks gjennom membranen, ved å måle forandringer i K+ ionekonsentrasjonen i det ikke-omrørte sjikt nær membranen.

Dobbeltløp K+-elektroder ble konstruert ved bruk av 1,2 mm OD glasskapillarer (Corning 120F) i henhold til teknikken ifølge Zeuthen.

Elektrodespenningen fra de to løp ble notert ved bruk av en DU0773 forsterker (WPI), interfaced til en PC (Dell Computer, Austin, TX) ved bruk av en 12 bit BioLogic 1401+ AD/DA interface (Biologic, Claix, Frankrike).

Opptegninger ble gjennomført med den dobbeltløpende elektrode anbrakt i bak(cis)-kammer inneholdende 100 mM KCI bufret med 20 mM Tris[hydroksymetyl]-aminometanhydroklorid (TRIS)

(T3253, Sigma, St Louis, MO) ved pH 7,2. Elektrodeholderen ble målt slik at den kom inn i cis-kammeret i en vinkel på 45 ° i forhold il den vandige oppløsningsoverflate og ble manipulert ved bruk av en hydraulisk mikromanipulator (David Knopf Instruments, Modell 1207B) med en minimal trinnlengde på 0,25 pm. Bisjiktdannelsen og grovposisjonen for elektroden ble overvåket ved bruk av et stereomikroskop som beskrevet i del 5.3, og noteringen begynte 10-20 minutter etter avsetning av lipid. Den totale nøyaktighet i bisjiktelektrodeavstanden ble bedømt til rundt ± 7 pm og ab-solutt avstand ble bedømt ved hjelp av de store forandringer i elektrodespenning ved nær kontakt med bisjiktet. Den osmotiske gradient over bisjiktet ble indusert ved å ha en front-(trans-)side KCI-oppløsning inneholdende 4 M urea (452042V, BDH, Poole, UK) bufret med 20 mM TRIS ved pH 7,2.

Det ble observert at lipidbisjikt innarbeidet i AQP-1 induserte en vannstrøm i nærvær av en transbi-sjiktosmotisk gradient.

AQP-1 innarbeidet i lipide bisjikt øket konsentrasjonen av K+-ioner med rundt 8 % innen 20 pm fra bisjiktet på den hypotoniske side i nærvær av en osmotisk gradient sammenliknet med bulk K+-konsentrasjonen.

Membranene var i stand til å bære 4 M osmotiske gradienter.

Eksempel 6

UPW system omfattende membranen ifølge oppfinnelsen.

Figurene 10 og 11 viser et vannrensesystem ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 10 er et skjematisk perspektivsnitt av elementet og figur 11 er et tverrsnitt langs linjen II—II i figur 10.

Elementet hadde et hulrør 1 anordnet ved senteret av elementet og hadde en overflate derav dannet med et antall gjennomgående hull 1a. Reversosmosemembraner 2, permeerte væskepassa-sjeelementer 3 og matevæskepassasjeelementer 4 er viklet rundt den ytre overflate av hulrøret 1 på en måte som er beskrevet nedenfor.

Hver reversosmosemembran 2 hadde en poseliknende form som en helhet, og en permeert væs-kepassasjedel 3 er anordnet deri. De poseformede reversosmosemembraner 2 er festet til den ytre overflate av hulrøret med sine åpninger 2a som lukker for gjennomgående hull 1a dannet i hulrøret 1 slik at det indre av reversosmosemembranene 2 og permeert væskepassasjeelementene 2 kan kommunisere med de gjennomgående hull 1a.

Hvert fødevæskepassasjeledd 4 er anordnet mellom reversosmosemembranene 2 som er forbundet dermed, og rammeledd 5 konfigurert til å tillate væske å passere der igjennom, er festet til begge ender av membranen og passasjeelementenheten, hvorved det oppnås en spiralstruktur.

Det ovenfor nevnte element er anordnet i en trykkbeholder og tilpasset mating ved den ene ende (oppstrøms side) med en fødevæske 6 under et på forhånd bestemt trykk.

Når fødevæsken 6 strømmer langs fødevæskepassasjeelementet 4, underkastes den reversosmo-seseparering ved hjelp av reversosmosemembranene 2 for separering til permeert væske og en solutt. Den permeerte væske som passerer gjennom reversosmosemembranene 2 og har en lav soluttkonsentrasjon strømmer til de gjennomgående hull 1a og samles i hulrøret 1. Den permeerte væske 6a tas så ut fra nedstrømssiden av elementet.

Fødevæsken som ikke har passert gjennom reversosmosemembranene 2, fortsetter å strømme langs fødevæskepassasjeelementene 4 til nedstrømssiden. I løpet av strømmen tar fødevæsken opp solutt som er separert fra fødevæsken og etterlatt på membranoverflatene og blir så konsentrert væske 6b med høy soluttkonsentrasjon.

Det er et kritisk problem ved å drive elementet slik at elementytelsen synker på grunn av konsentrasjonspolarisering.

Konsentrasjonspolarisering er et fenomen der begroningssubstanser som urenheter og kontaminanter i fødevæsken, anrikes på membranoverflatene av reversosmosemembraner 2 som er i kontakt med fødevæskepassasjeelementer 4, slik at konsentrasjonen av solutt og tilgroingssubstans i fødevæsken blir høyere på membranoverflaten. Som et resultat blir det osmotiske trykk høyere.

Når polariseringskonsentrasjon inntrer, synker mengden permeert væske, og urenheter som gel og annet feller ut på membranoverflaten. Av denne grunn kan reversosmosemembraner ikke utvikle sin evne, og ytelsen for elementet synker.

Opptredenen av konsentrasjonspolarisering kan undertrykkes ved å gjøre strømmen av fødevæske på membranoverflaten turbulent. For eksempel inntrer turbulent strøm lettere ved å benytte føde-væskepassasjeelementet 4 med mindre tykkelse for å øke den lineære hastighet av fødevæsken på membranoverflaten slik at konsentrasjonspolariseringssjiktet kan fortynnes.

Med fødevæskepassasjeelementet 4 med en mindre tykkelse blir imidlertid passasjen som define-res av denne, lett stoppet til med tilstoppingssubstanser inneholdt i fødevæsken, for eksempel urenheter og mikroorganismer. Som et resultat synker elementytelsen, og trykktapet i fødevæsken øker. For å opprettholde kvalitet og kvantitet for permeert væske må driftstrykket for fødevæsken heves, og således må det tilveiebringes en høytrykkspumpe som krever elektrisk energi for drift og også trykkrør, noe som resulterer i økede væskeproduksjonsomkostninger.

Minst en av reversosmosemembranene er en vannmembran ifølge oppfinnelsen omfattende akvaporin og/eller akvaglyseroporinkanaler.

Referanser:

1. Ag re, P., M. Bonhivers, and M. J. Borgnia. (1998). The aquaporins, blueprints for cellular plumb-ing systems. Journal of Biological Chemistry, 273,14659-14662. 2. Borgnia, M., S. Nielsen, A. Engel, and P. Ågre. (1999). Cellular and molecular biology of the aquaporin water channels. Annual Review of Biochemistry, 68, 425-458. 3. A. A. Brian and H. M. McConnell. Allogenic stimulation of cytotoxic T cells by supported planar membranes. Proe. Nati. Acad. Sei. USA, 81:6159-6163, 1984. 4. Burykin and A. Warshel (2003). What really prevents proton transport through aquaporin ? Charge self-energy vs. proton wire proposals, Biophysical Journal 85, 3696-3706. 5. Chakrabarti, N., Tajkhorshid, E., Roux, B. and Pommes, R. (2004). Molecular basis of proton blockage in aquaporins, Structure 12, 65-74.

6. Dainty, J. and CR. House. 1966. Unstirred layers in frog skin. J Physiol 182:66-78.

7. de Groot, B. L, and Grubmuller, H. (2001). Water permeation across biological membranes: mechanism and dynamics of aquaporin-1 and GIpF, Science 294, 2353-2357. 8. de Groot, B. L, Frigato, T., Helms, V. and Grubmuller, H. (2003). The mechanism of proton exclusion in the aquaporin-1 channel, Journal of Molecular Biology 333, 279-293. 9. Fettiplace, R. and D.A. Haydon. 1980. Water permeability of lipid membranes. Physiol Rev 60:510-50. 10. Fu, D., Libson, A., Miercke, L. J., Weitzman, C, Nollert, P., Krucinski, J., and Stroud, R. M.

(2000). Structure of a glycerol-conducting channel and the basis for its selectivity, Science 290, 481-6. 11. Heymann, J. B. and Engel, A.(1999). Aquaporins: Phylogeny, Structure, and Physiology of Water Channels. News Physiol. Sei. (14) s. 188. 12. lian, B., Tajkhorshid, E., Schulten, K. and Voth, G. (2004). The mechanism of proton exclusion in aquaporin water channels. PROTEINS: Structure, Function, and Bioinformatics, 55, 223-228. 13. Jensen, M. O., Tajkhorshid, E., and Schulten, K. (2003). Electrostatic tuning of permeation and selectivity on aquaporin water channels, Biophysical Journal 85,2884-2899. 14. Z. V. Leonenko, A. Carnini, and D. T. Cramb. Supported planar bilayer formation by vesicle fusion: the interaction of phospholipid vesicles with surfaces and the effect of gramicidin on bilayes properties usin atomic force microscopy. Biochim. Biophys. Acta, 1509:131-147, 2000. 15. H. Lin, R. Bhatia, and R. Lal. Amyloid p protein forms ion channels: Implications for Alzheimers disease pathophysiology. FASEB J., 15:2433-2444, 2001. 16. Montal, M. and P. Mueller. 1972. Formation of Biomolecular Membranes from Lipid Monolayers and a Study of Their Electrical Properties. Proe. Nati. Acad. Sei. USA 69:3561-3566. 17. J. Mou, D. M. Czajkowsky, and Z. Shao. Gramicidin A aggregation in supported gel state phosphatidylcholine bilayers. Biochemistry, 35:3222-3226,1996. 18. Murata, K., Mitsuoka, K., Hiral, T., Walz, T., Ågre, P., Heymann, J. B., Engel, A., and Fujiyoshi, Y. (2000). Structural determinants of water permeation through aquaporin-1, Nature 407, 599-605. 19. Pohl, P., S.M. Saparov, and Y.N. Antonenko. 1997. The effect of a transmembrane osmotic flux on the ion concentration distribution in the immediate membrane vicinity measured by microelec-trodes. Biophys J 72:1711-8. 20. Preston, G. M., P. Piazza-Carroll, W. B. Guggino, and P. Agre. (1992). Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 water channel. Science, 256, 385-387. 21. E. Reimhult, F. Hook, and B. Kasemo. Intact vesicle adsorption and supported biomembrane formation from vesicles in solution: Influence of surface chemistry, vesicle size, temperature, and osmotic pressure. Langmuir, 19:1681-1691, 2003. 22. Ren, G., Reddy, V. S., Cheng, A., Melnyk, P., and Mitra, A. K. (2001). Visualization of a water-selective pore by electron crystallography in vitreous ice, Proe Nati Acad Sei U S A 98,1398-1403. 23.1. Reviakine and A. Brisson. Formation of supported phospholipid bilayers from unilamellar vesicles investigated by atomic force microscopy. Langmuir, 16:1806-1815, 2000. 24. H. A. Rinia, R. A. Kik, R. A. Demel, M. M. E. Snei, J. A. Killian, J. P. J. M. van der Eerden and B. de Kruijff. Visualization of highly ordered striated domains induced by trans-membrane peptides in supported phosphatidylcholine bilayers. Biochemistry, 39:5852-5858, 2000. 25. Sakmann, B. and E. Neher. 1995. Single channel recording 2ed. Plenum Press, New York Saparov, S.M., D. Kozono, U.A.P. Rothe, and P. Pohl, 2001. Water and lon Permeation of Aquaporin-1 in Planar Bilayers. J. Biol. Chem. 276:31515-31520. 26. A. C. Simonsen and L. A. Bagatolli. Structure of spin-coated lipid films and domain formation in supported membranes formed by hydration. Langmuir, 20:9720-9728, 2004. 27. Sui, H., Han, B. G., Lee, J. K., Walian, P., and Jap, B. K. (2001). Structural basis of water-specific transport through the AQP1 water channel, Nature 414, 872-8. 28. Tajkhorshid, E., Nollert, P., Jensen, M. O., Miercke, L. J., 0'Connell, J., Stroud, R. M., and Schulten, K. (2002). Control of the selectivity of the aquaporin water channel family by global orien-tational tuning, Science 296, 525-530. 29. E. J. M. van Kan, D. N. Ganchev, M. M. E. Snei, V. Chupin, A. van der Bent, and B. de Kruijff. The peptide entibiotic clavanin A interacts strongly and specifically with lipid bilayers. Biochemistry, 42:11366-11372, 2003. 30. Zhu, F., Tajkhorshid, E. and Schulten, K. (2003). Theory and simulation of water permeation in aquaporin-1. Biophysical Journal, 86, 50-57. 31. Zeidel, Mark L, Suresh V. Ambudkar, Barbara L. Smith, and Peter Ågre, Biochemistry 1992, 31, 7436-7440.

Claims (23)

1. Vannmembran,karakterisert vedat den omfatter en sand-wichkonstruksjon med minst to permeable bærersjikt atskilt av minst et lipidbisjikt omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

2. Vannmembran,karakterisert vedat den omfatter en sand-wichkonstruksjon med minst to lipide monosjikt som, satt sammen til et bisjikt, omfatter funksjonelle akvaporinvannkanaler og videre omfattende et hydrofobt, perforert materiale som utgjør kontaktoverflaten med lipidmonosjiktene og der lipidbisjiktet er dannet i perforeringene i det hydrofobe, perforerte materialet.

3. Vannmembran ifølge krav 2, hvor nevnte hydrofobe, perforerte materiale er en porøs bærermembran med en hydrofob overflate der lipidmonosjiktene er satt på hver side og lipidbisjiktene vil forefinnes i porene av den porøse bærermembran og der akvaporin-vannkanalene kan rekonstitueres.

4. Vannmembran ifølge krav 2 eller 3, hvor det hydrofobe materialet er en Teflonfilm og har en hydrofobisitetsgrad tilsvarende en kontaktvinkel på minst 100° mellom en dråpe av deionisert vann og det hydrofobe materialet, der kontaktvinkelmålingen gjennomfø-res ved 20 °C og atmosfærisk trykk.

5. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 4, hvor det hydrofobe materialet er plant og at perforeringene er jevnt fordelt og i det vesentlige alle med i det vesentlige samme geometriske form i intermediatplanet mellom de to overflater av det hydrofobe materialet.

6. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 5, hvor perforeringene har en diameter i mm- til pm-området.

7. Vannmembran ifølge krav 6, hvor perforeringene hver har et åpningsareal tilstrekkelig stort til å tillate passasje av vanndamp, men tilstrekkelig lite til å forhindre passasje av flytende vann, slik som et areal i området mellom 100 nm<2>til 1 mm<2>.

8. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 7, hvor den geometriske form av perforeringene er valgt blant sirkulær og elliptisk form.

9. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 6, hvor det hydrofobe, perforerte materialet består av en hydrofob polymerfilm.

10. Vannmembran ifølge krav 9, hvor filmen har en tykkelse i mm- til pm-området.

11. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 10, hvor lipidbisjiktet eller - sjiktene i det vesentlige består av amfifile lipider valgt fra gruppen bestående av fosfolipider som DPPC, fosfoglyserider, sfingolipider og kardiolipin, eller blandinger derav.

12. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor akvaporinet er AQP1 slik som bovin AQP1.

13. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor akvaporinet er av planteopprinnelse, som en TIP-, en PIP- eller et NIP-akvaporin, og blandinger og hybrider derav.

14. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor akvaporinvann-kanalen er valgt fra gruppen bestående av akvaglyseroporiner (GLpF) som en GLPA-kanal, en GLPB1-kanal, en GLPB2-kanal, en GLPB3-kanal og en GLPY2-kanal, og blandinger og hybrider derav.

15. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor akvaporinet er et mutant protein.

16. Vannmembran ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, hvor det videre er innarbeidet i et hus for å gi en vannfittreringsinnretning.

17. Fremgangsmåte for fremstilling av et ultrarent vannfiltrat,karakterisert vedat det omfatter filtrering av en vandig oppløsning gjennom vannmembranen ifølge et hvilket som helst av kravene 1-15 for å holde tilbake ioner, partikler, organiske stoffer og kolloider, hvorved filtratet er vann som i det vesentlige er fritt for ioner, partikler, organisk materiale og kolloider.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, hvor et osmotisk trykk er lagt på nedstrømssiden av vannmembranen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, hvor nevnte osmotiske trykk er avledet fra en konsentrert oppløsning med et høyere osmotisk trykk enn vannkilden som skal renses.

20. Reversosmosevannfiltreringsinnretning for produksjon av avsaltet vann fra en saltvannskilde der det avsaltede vann er nyttig for landbruksirrigering og/eller som drikkevann,karakterisert vedat minst en av en siste reversosmosefiltreringsmembran eller -membraner er erstattet med en vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 15 omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

21. Reversosmosevannfiltreringsinnretning for fremstilling av ultrarent vann fra en råvannskilde der det ultrarene vann er nyttig i halvlederindustrien og/eller den farmasøytiske industri,karakterisert vedat minst én av en siste reversosmose filtreringsmembran eller -membraner er erstattet med en vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 15 omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

22. Reversosmosevannfiltreringsinnretning for fremstilling av rent vann fra en råvannskilde for bruk i kommunal vannindustri, kjemisk industri, drikkevannsindustri, næringsindustri, elektronisk industri, olje- og gassindustri, raffineriindustri, masse- og papirindustri, me-tallindustri, gruveindustri og energiindustri,karakterisert vedat minst én av en siste reversosmosefiltreringsmembran er erstattet med en vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 15 omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler.

23. Vannfittreringsinnretning for ekstrahering og gjenvinning av vann fra kroppsfluider som urin, melk og svette/perspirering,karakterisert vedat den omfatter en vannmembran omfattende funksjonelle akvaporinvannkanaler som en vannmembran ifølge et hvilket som helst av kravene 1-15.