Мембрана в: Что такое мембрана в одежде?

Клеточная мембрана содержит белки, которые переносят ионы и водорастворимые молекулы внутрь или из клетки.Некоторые молекулы могут свободно диффундировать через мембрану в процессе, известном как простая диффузия.

Многие клеточные функции, включая поглощение и преобразование питательных веществ, синтез новых молекул, выработку энергии и регуляцию метаболических последовательностей, выполняются в мембранных органеллах. Ядро, содержащее генетический материал клетки, окружено двойной мембраной с большими порами, которые позволяют обмениваться материалами между ядром и цитоплазмой.Наружная ядерная мембрана является продолжением мембраны эндоплазматического ретикулума, который синтезирует липиды для всех клеточных мембран. Белки синтезируются рибосомами, которые либо прикреплены к эндоплазматической сети, либо свободно взвешены в содержимом клетки. Митохондрии, окисляющие и запасающие энергию единицы клетки, имеют внешнюю мембрану, легко проницаемую для многих веществ, и менее проницаемую внутреннюю мембрану, усеянную транспортными белками и производящими энергию ферментами.

Динамика мембран и органелл во время деления клеток

Структура мембраны | Биология для майоров I

Опишите структуру и функцию мембран, особенно бислоя фосфолипидов.

В результате мы узнаем о структуре мембран.

Цели обучения

• Описать строение клеточных мембран
• Определить компоненты клеточной мембраны, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы
• Объясните, почему гидрофильные вещества не могут проходить сквозь клеточную мембрану

Структура клеточной мембраны

Плазматическая мембрана клетки определяет границу клетки и определяет характер ее контакта с окружающей средой.Клетки исключают одни вещества, поглощают другие и выделяют третьи в контролируемых количествах. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не статичны, а динамичны и постоянно изменяются. Плазматическая мембрана должна быть достаточно гибкой, чтобы определенные клетки, такие как эритроциты и лейкоциты, могли изменять форму при прохождении через узкие капилляры. Это наиболее очевидные функции плазматической мембраны. Кроме того, поверхность плазматической мембраны несет маркеры, которые позволяют клеткам узнавать друг друга, что жизненно важно, поскольку ткани и органы формируются на раннем этапе развития, и которые позже играют роль в различении «я» и «не-я». иммунный ответ.

Плазматическая мембрана также несет рецепторы, которые являются местами прикрепления определенных веществ, взаимодействующих с клеткой. Каждый рецептор устроен так, чтобы связываться с определенным веществом. Например, поверхностные рецепторы мембраны создают изменения внутри, такие как изменения ферментов метаболических путей. Эти метаболические пути могут иметь жизненно важное значение для снабжения клетки энергией, выработки определенных веществ для клетки или расщепления клеточных отходов или токсинов для утилизации.Рецепторы на внешней поверхности плазматической мембраны взаимодействуют с гормонами или нейротрансмиттерами и позволяют передавать свои сообщения в клетку. Некоторые сайты распознавания используются вирусами как точки прикрепления. Хотя они очень специфичны, патогены, такие как вирусы, могут развиваться, чтобы использовать рецепторы, чтобы проникнуть в клетку, имитируя конкретное вещество, которое рецептор должен связывать. Эта специфичность помогает объяснить, почему вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) или любой из пяти типов вирусов гепатита проникает только в определенные клетки.

Модель Fluid Mosaic

В 1972 году С. Дж. Сингер и Гарт Л. Николсон предложили новую модель плазматической мембраны, которая, по сравнению с более ранним пониманием, лучше объясняла как микроскопические наблюдения, так и функцию плазматической мембраны. Это была модель жидкой мозаики . Модель со временем несколько эволюционировала, но по-прежнему лучше всего объясняет структуру и функции плазматической мембраны в том виде, в котором мы их теперь понимаем. Модель жидкой мозаики описывает структуру плазматической мембраны как мозаику компонентов, включая фосфолипиды, холестерин, белки и углеводы, в которых компоненты могут течь и менять положение, сохраняя при этом базовую целостность мембраны.Как молекулы фосфолипидов, так и встроенные белки способны быстро и латерально диффундировать в мембрану (рис. 1). Текучесть плазматической мембраны необходима для активности определенных ферментов и транспортных молекул внутри мембраны. Плазменные мембраны имеют толщину от 5 до 10 нм. Для сравнения, красные кровяные тельца человека, видимые с помощью световой микроскопии, имеют толщину примерно 8 мкм, или примерно в 1000 раз толще плазматической мембраны.

Рис. 1. Жидкая мозаичная модель структуры плазматической мембраны описывает плазматическую мембрану как жидкую комбинацию фосфолипидов, холестерина, белков и углеводов.

Плазматическая мембрана состоит в основном из бислоя фосфолипидов со встроенными белками, углеводами, гликолипидами и гликопротеинами, а в клетках животных — холестерином. Количество холестерина в плазматических мембранах животных регулирует текучесть мембраны и изменяется в зависимости от температуры окружающей среды клетки. Другими словами, холестерин действует как антифриз на клеточной мембране, и его больше у животных, живущих в холодном климате.

Основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов, и полярные концы этих молекул (которые выглядят как набор шариков в изображении модели художником) (рис. 1) находятся в контакте с водной жидкостью. внутри и снаружи клетки.Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны гидрофильны («водолюбивы»). Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями представляет собой гидрофобную («ненавидящую воду») или неполярную область из-за хвостов жирных кислот. Эта область не имеет притяжения для воды или других полярных молекул (мы обсудим это далее на следующей странице).

Белки составляют второй по величине химический компонент плазматических мембран. Интегральные белки встроены в плазматическую мембрану и могут охватывать всю мембрану или ее часть.Интегральные белки могут служить каналами или насосами для перемещения материалов в клетку или из клетки. Периферические белки находятся на внешней или внутренней поверхности мембран, прикрепленные либо к интегральным белкам, либо к молекулам фосфолипидов. Как интегральные, так и периферические белки могут служить ферментами, структурными прикреплениями волокон цитоскелета или частью сайтов узнавания клетки.

Углеводы — третий важный компонент плазматических мембран. Они всегда находятся на внешней поверхности клеток и связаны либо с белками (образуя гликопротеины), либо с липидами (образуя гликолипиды).Эти углеводные цепи могут состоять из 2-60 моносахаридных звеньев и могут быть прямыми или разветвленными. Наряду с периферическими белками углеводы образуют на поверхности клетки специализированные участки, которые позволяют клеткам узнавать друг друга.

Как вирусы заражают определенные органы

Рис. 2. ВИЧ стыкуется и связывается с рецептором CD4, гликопротеином на поверхности Т-клеток, перед тем, как проникнуть в клетку или инфицировать ее. (кредит: модификация работы Национальных институтов здравоохранения США / Национального института аллергии и инфекционных заболеваний)

Определенные молекулы гликопротеинов, экспонированные на поверхности клеточных мембран клеток-хозяев, используются многими вирусами для заражения определенных органов.Например, ВИЧ способен проникать через плазматические мембраны определенных видов белых кровяных телец, называемых Т-хелперами и моноцитами, а также некоторых клеток центральной нервной системы. Вирус гепатита поражает только клетки печени.

Эти вирусы способны проникать в эти клетки, потому что клетки имеют на своей поверхности участки связывания, которые вирусы использовали с одинаково специфическими гликопротеинами в их оболочках. (Фигура 2). Клетка обманывается имитацией молекул вирусной оболочки, и вирус может проникать в клетку.Другие сайты узнавания на поверхности вируса взаимодействуют с иммунной системой человека, побуждая организм вырабатывать антитела. Антитела вырабатываются в ответ на антигены (или белки, связанные с инвазивными патогенами). Эти же сайты служат местами для прикрепления антител и либо уничтожают, либо подавляют активность вируса. К сожалению, эти сайты на ВИЧ кодируются генами, которые быстро меняются, что очень затрудняет производство эффективной вакцины против вируса. Популяция вируса внутри инфицированного человека быстро эволюционирует посредством мутаций в разные популяции или варианты, различающиеся различиями в этих сайтах распознавания.Такое быстрое изменение вирусных поверхностных маркеров снижает эффективность иммунной системы человека при атаке вируса, поскольку антитела не распознают новые вариации поверхностных структур.

Фосфолипиды

Как мы только что узнали, основная ткань мембраны состоит из двух слоев молекул фосфолипидов. Гидрофильные или «водолюбивые» области этих молекул (которые выглядят как набор шариков в изображении модели художником) (рис. 1) находятся в контакте с водной жидкостью как внутри, так и снаружи клетки.Таким образом, обе поверхности плазматической мембраны гидрофильны. Напротив, внутренняя часть мембраны между двумя ее поверхностями представляет собой гидрофобную или неполярную область из-за хвостов жирных кислот. Эта область не имеет притяжения для воды или других полярных молекул (мы обсудим это далее на следующей странице).

Гидрофобные или ненавидящие воду молекулы, как правило, неполярны. Они взаимодействуют с другими неполярными молекулами в химических реакциях, но обычно не взаимодействуют с полярными молекулами.При помещении в воду гидрофобные молекулы имеют тенденцию образовывать шар или кластер. Гидрофильные области фосфолипидов имеют тенденцию образовывать водородные связи с водой и другими полярными молекулами как снаружи, так и внутри клетки. Таким образом, поверхности мембраны, обращенные внутрь и снаружи клетки, являются гидрофильными. Напротив, внутренняя часть клеточной мембраны гидрофобна и не взаимодействует с водой. Таким образом, фосфолипиды образуют превосходную двухслойную клеточную мембрану, которая отделяет жидкость внутри клетки от жидкости вне клетки.

Рис. 3. Эта молекула фосфолипида состоит из гидрофильной головки и двух гидрофобных хвостов. Гидрофильная головная группа состоит из фосфатной группы, присоединенной к молекуле глицерина. Гидрофобные хвосты, каждый из которых содержит насыщенную или ненасыщенную жирную кислоту, представляют собой длинные углеводородные цепи.

Молекула фосфолипида (рис. 3) состоит из трехуглеродного глицеринового остова с двумя молекулами жирных кислот, присоединенными к атомам углерода 1 и 2, и фосфатсодержащей группой, присоединенной к третьему атому углерода.

Такое расположение дает всей молекуле область, описываемую как ее голова (фосфатсодержащая группа), которая имеет полярный характер или отрицательный заряд, и область, называемую хвостом (жирные кислоты), которая не имеет заряда. Голова может образовывать водородные связи, а хвост — нет. Молекула с таким расположением положительно или отрицательно заряженной области и незаряженной или неполярной области называется амфифильной или «двоякой».

Эта характеристика жизненно важна для структуры плазматической мембраны, потому что в воде фосфолипиды имеют тенденцию располагаться так, чтобы их гидрофобные хвосты были обращены друг к другу, а их гидрофильные головки были обращены наружу.Таким образом, они образуют липидный бислой — барьер, состоящий из двойного слоя фосфолипидов, который отделяет воду и другие материалы на одной стороне барьера от воды и других материалов на другой стороне. Фактически, фосфолипиды, нагретые в водном растворе, имеют тенденцию спонтанно образовывать маленькие сферы или капли (называемые мицеллами или липосомами), причем их гидрофильные головки образуют внешнюю поверхность, а их гидрофобные хвосты — внутри (рис. 4).

Рис. 4. В водном растворе фосфолипиды имеют тенденцию располагаться так, чтобы их полярные головки были обращены наружу, а их гидрофобные хвосты были обращены внутрь.(кредит: модификация работы Марианы Руис Вильярреал)

Резюме: Структура клеточной мембраны

Современное понимание плазматической мембраны называется моделью жидкой мозаики. Плазматическая мембрана состоит из бислоя фосфолипидов с их гидрофобными хвостами жирных кислот, контактирующими друг с другом. Ландшафт мембраны усыпан белками, некоторые из которых покрывают мембрану. Некоторые из этих белков служат для транспортировки материалов в клетку или из клетки.Углеводы присоединяются к некоторым белкам и липидам на обращенной наружу поверхности мембраны. Они образуют комплексы, которые функционируют, чтобы идентифицировать клетку с другими клетками. Жидкая природа мембраны обязана конфигурации хвостов жирных кислот, присутствию холестерина, встроенного в мембрану (в клетках животных), и мозаичному характеру белков и комплексов белок-углевод, которые не закреплены прочно. место. Плазматические мембраны ограничивают границы клеток, но они не статичны, а динамичны и постоянно изменяются.

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе. В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

— Окончательное руководство

Определение

Клеточная мембрана, также известная как плазматическая мембрана, представляет собой двойной слой липидов и белков, окружающий клетку.Он отделяет цитоплазму (содержимое клетки) от внешней среды. Это свойство всех клеток, как прокариотических, так и эукариотических.

Трехмерная диаграмма клеточной мембраны

Функция клеточной мембраны

Клеточная мембрана придает клетке ее структуру и регулирует материалы, которые входят в клетку и покидают ее. Это избирательно проницаемый барьер, то есть он позволяет одним веществам проникать, но не другим. Подобно подъемному мосту, предназначенному для защиты замка и отпугивания врагов, клеточная мембрана позволяет входить или выходить только определенным молекулам.

Пересечение мембраны

Небольшие молекулы, такие как кислород, который нужен клеткам для выполнения метаболических функций, таких как клеточное дыхание, и углекислый газ, побочный продукт этих функций, могут легко входить и выходить через мембрану. Вода также может свободно проходить через мембрану, хотя и медленнее.

Однако ни высокозарядные молекулы, такие как ионы, не могут проходить напрямую, так же как и большие макромолекулы, такие как углеводы или аминокислоты.Вместо этого эти молекулы должны проходить через белки, встроенные в мембрану. Таким образом, клетка может контролировать скорость диффузии этих веществ.

Другой способ, которым клеточная мембрана может переносить молекулы в цитоплазму, — это эндоцитоз. Обратный процесс, когда клетка доставляет содержимое за пределы мембранного барьера, называется экзоцитозом.

Эндоцитоз включает фагоцитоз («поедание клеток») и пиноцитоз («питье клеток»). Во время этих процессов клеточная мембрана образует углубление, окружающее частицу, которую она поглощает.Затем он «отщипывается», образуя небольшую мембранную сферу, называемую пузырьком, которая содержит молекулу и транспортирует ее туда, где она будет использоваться в клетке.

Крупные молекулы могут попадать в клетку в процессе эндоцитоза.

Клетки также могут доставлять вещества через клеточную мембрану во внешнюю среду посредством экзоцитоза, который противоположен эндоцитозу. Во время экзоцитоза везикулы образуются в цитоплазме и перемещаются на поверхность клеточной мембраны.Здесь они сливаются с мембраной и выпускают свое содержимое за пределы клетки. Экзоцитоз удаляет продукты жизнедеятельности клетки, которые являются частями молекул, которые клетка не использует, включая старые органеллы.

Передача сигналов на клеточной мембране

Клеточная мембрана также играет важную роль в передаче сигналов и коммуникации клеток. Мембрана содержит несколько встроенных белков, которые могут связывать молекулы, находящиеся вне клетки, и передавать сообщения внутрь клетки.

Важно отметить, что эти рецепторные белки на клеточной мембране могут связываться с веществами, вырабатываемыми другими частями тела, такими как гормоны. Когда молекула связывается со своим рецептором-мишенью на мембране, она инициирует путь передачи сигнала внутри клетки, который передает сигнал соответствующим молекулам.

В результате этих часто сложных сигнальных путей клетка может выполнять действие, определенное сигнальной молекулой, такое как производство или остановка производства определенного белка.

Как структура клеточной мембраны позволяет ей выполнять эти функции?

Структура клеточной мембраны

Двухслойный фосфолипид

Клеточная мембрана состоит из бислоя фосфолипидов. Фосфолипиды — это липидные молекулы, состоящие из головы фосфатной группы и двух хвостов жирных кислот. Важно отметить, что свойства молекул фосфолипидов позволяют им спонтанно образовывать двухслойную мембрану.

Головка фосфатной группы фосфолипида является гидрофильной, тогда как хвост фосфолипида является гидрофобной.Это означает, что фосфатная группа притягивается к воде, тогда как хвост отталкивается водой.

Находясь в воде или водном растворе (в том числе внутри тела), гидрофобные головки фосфолипидов будут располагаться внутри, как можно дальше от воды. Напротив, гидрофильные головки будут снаружи, контактируя с водой. В результате образуется двойной слой фосфолипидов, причем гидрофобные головки сгруппированы вместе в центре, а гидрофильные хвосты образуют внешнюю часть структуры.Технический термин для этого двойного слоя фосфолипидов, который формирует клеточную мембрану, — это бислой фосфолипидов.

Структура клеточной мембраны и связанных с ней компонентов

Мембранные факторы

Помимо фосфолипидного бислоя клеточная мембрана также содержит липидные молекулы, в частности гликолипиды и стерины. Одним из важных стеринов является холестерин, который регулирует текучесть клеточной мембраны в клетках животных. Когда холестерина меньше, мембраны становятся более жидкими, но при этом более проницаемыми для молекул.Количество холестерина в мембране помогает поддерживать ее проницаемость, так что нужное количество молекул может проникать в клетку за раз.

Клеточная мембрана также содержит множество различных белков. Белки составляют около половины клеточной мембраны. Многие из этих белков являются трансмембранными белками, которые встроены в мембрану, но выступают с обеих сторон (т. Е. Охватывают весь липидный бислой).

Некоторые из этих белков являются рецепторами, которые связываются с сигнальными молекулами.Другие представляют собой ионные каналы, которые являются единственным средством, позволяющим ионам проникать в клетку или выходить из нее. Ученые используют модель жидкой мозаики для описания структуры клеточной мембраны. Клеточная мембрана имеет жидкую консистенцию из-за того, что большая часть состоит из фосфолипидов, и из-за этого белки свободно перемещаются по ее поверхности. Множество различных белков и липидов в клеточной мембране придают ей мозаичный вид.

Викторина

Библиография

Показать / Скрыть

1. Альбертс, Б., Johnson, A., Lewis, J., et al. Молекулярная биология клетки. 4-е издание. Нью-Йорк: наука о гирляндах; 2002. Липидный бислой. Доступно по ссылке: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26871/

2. Лодиш, Х., Берк, А., Зипурски, С.Л. и др. Молекулярная клеточная биология. 4-е издание. Нью-Йорк: У. Х. Фриман; 2000. Раздел 3.4, Мембранные белки. Доступно по ссылке: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21570/
3. Уотсон, Х. (2015). Биологические мембраны. Очерки биохимии , 59 , 43–69. https://doi.org/10.1042/bse05

Гидрофобная наноструктурированная деревянная мембрана для термически эффективной дистилляции

Abstract

Текущая мембранная дистилляция (MD) оспаривается из-за неэффективности термического отделения воды от растворенных веществ, контролируемого пористостью и теплопроводностью мембраны. Существующие полимерные мембраны, полученные из нефти, сталкиваются с серьезными препятствиями при разработке. Здесь мы демонстрируем первую прочную мембрану MD, изготовленную непосредственно из экологически чистого древесного материала.Гидрофобная мембрана из нанодревесины имела высокую пористость (89 ± 3%) и иерархическую структуру пор с широким распределением пор по размерам нанофибрилл кристаллической целлюлозы и ксилемных сосудов и просветов (каналов), которые способствуют транспортировке водяного пара. Теплопроводность была чрезвычайно низкой в ​​поперечном направлении, что снижает кондуктивный перенос тепла. Однако высокая теплопроводность вдоль волокна обеспечивает эффективное рассеивание тепла в осевом направлении. В результате мембрана продемонстрировала отличную паропроницаемость (1.44 ± 0,09 кг · м ⁻¹ K ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ) и тепловой КПД (~ 70% при 60 ° C). Свойства термического КПД, потока воды, масштабируемости и устойчивости делают нанодревесину очень желательной для применения в МД.

ВВЕДЕНИЕ

Нехватка воды — серьезная проблема во всем мире. В этом году Организация Объединенных Наций сообщила, что почти половина населения мира (~ 3,6 миллиарда) в настоящее время проживает в регионах с потенциальным дефицитом воды не менее одного месяца в году.К 2050 году это число может увеличиться до 4,8-5,7 миллиарда ( 1 ). Эта проблема усугубляется изменением климата и быстрой урбанизацией, о чем свидетельствуют длительные периоды засух и учащение лесных пожаров в Калифорнии и других регионах ( 2 — 4 ). Опреснение может помочь облегчить водный стресс за счет извлечения пресной воды из ряда соленых или загрязненных источников, включая морскую воду, солоноватоводные грунтовые воды или сточные воды ( 5 , 6 ), а развитие опреснения значительно стимулировалось нанотехнологиями и передовым производством ( 7 , 8 ).Однако, несмотря на достижение предела энергоэффективности (~ 50%), современные процессы опреснения воды, такие как обратный осмос, по-прежнему энергоемки [от 2 до 4 киловатт-часов м ⁻³ ] ( 9 , 10 ). Однако во многих регионах, которые могут извлечь выгоду из этой технологии, растущее предложение возобновляемой, но непостоянной солнечной энергии в формате тепла или электричества создает большие возможности для солнечного опреснения, что также снижает проблемы в области хранения энергии. Используя преимущества этого недорогого, а иногда и избыточного предложения тепла или электроэнергии, опреснение воды может стать более рентабельным ( 11 — 13 ).

Мембранная дистилляция (MD) — это развивающийся процесс термически управляемой сепарации с большим потенциалом для опреснения воды высокой солености с использованием солнечных, тепловых или других возобновляемых источников ( 10 ). За счет разницы в температуре и давлении пара. Вода испаряется на стороне горячего питания ячеек MD и диффундирует через пористую гидрофобную мембрану перед конденсацией на стороне холодного пермеата ( 14 — 16 ). MD может работать с использованием низкопотенциального тепла, такого как охлаждающая вода конденсатора от тепловых электростанций или, все чаще, от возобновляемых источников, таких как солнечные тепловые или геотермальные станции ( 17 — 19 ).Во время MD перенос водяного пара приводит к конвективной теплопередаче, при которой тепло частично проходит через материалы мембраны, тем самым уменьшая градиент температуры и снижая движущую силу для массопереноса через мембрану ( 20 , 21 ). Тепловая эффективность является важным параметром в MD и определяется как конвективный тепловой поток через мембрану, деленный на общий тепловой поток ( 22 ). Соответственно, идеальная MD-мембрана должна иметь желаемую комбинацию характеристик, таких как большой размер пор, низкая извилистость пор, низкая теплопроводность, высокая пористость, оптимизированная толщина, хорошая механическая прочность, конкурентоспособность по стоимости и низкое воздействие на окружающую среду ( 10 , 22 — 24 ).

Современные коммерческие мембраны MD изготавливаются из синтетических полимеров, таких как политетрафторэтилен (PTFE), поливинилиденфторид (PVDF) и полипропилен (PP) ( 16 , 25 — 27 ). Как правило, эти мембраны имеют пористость менее 0,80, теплопроводность более 0,050 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ и тепловой КПД до 60% ( 10 , 15 , 16 , 22 , 25 , 28 ).Например, микропористые мембраны из ПТФЭ широко используются в модулях MD из-за их высокой гидрофобности и стабильности ( 26 ), но многие из этих мембран обычно изотропны (рис. S4) и не идеальны для высокоэффективной теплоизоляции ( 29 — 31 ). Кроме того, эти полимерные материалы получают из нефтепродуктов, и их использование и утилизация вызывают проблемы с окружающей средой из-за низкой способности к биоразложению ( 32 ). Таким образом, МД-мембраны, изготовленные из натуральных и недорогих материалов с высокой термостабильностью и гидрофобностью, весьма желательны, но пока недоступны.Недавно Leitch et al. ( 24 ) представила новую бактериальную мембрану MD из аэрогеля из наноцеллюлозы с высокой пористостью (> 98%) и низкой теплопроводностью (<0,03 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ), демонстрируя, как мембраны могут быть изготовлены с использованием материалы.

В этом исследовании мы разработали первую прочную мембрану MD непосредственно из экологически чистого древесного материала. Наноцеллюлоза является богатым землей и часто является источником отходов биомассы, которая использовалась в продуктах с минимальным воздействием на окружающую среду и здоровье, таких как строительные материалы, бронежилеты, биотопливо или фильтры для воды ( 33 — 39 ).Большинство продуктов на основе наноцеллюлозы, таких как бумага (рис. S4), производятся из древесной массы, где разрушенные целлюлозные волокна случайным образом смешиваются вместе, образуя изотропную структуру с высокой плотностью (1,20 г / см ⁻³ ) и более низкой механической прочностью ( От 0,25 до 0,30 МПа) ( 40 , 41 ). Напротив, эта новая деревянная мембрана была изготовлена ​​путем прямого удаления лигнина и полуцеллюлозы с помощью химической обработки и сублимационной сушки, что позволило сохранить анизотропную микроструктуру и иерархическое выравнивание древесных волокон.В результате из древесины можно получить анизотропный теплоизоляционный объемный материал с чрезвычайно высокой пористостью (~ 90%), низкой теплопроводностью (~ 0,04 Вт · м ^-1 K ^-1 ) и хорошей механической прочностью. (18 МПа), что делает его идеальной подложкой для мембраны MD. В этом исследовании мы сообщаем о наноструктурированной древесине (то есть нанодревесе) из натуральной американской липы с последующим покрытием силаном, которое привело к получению гидрофобной мембраны из нанодревесины с высокой пористостью, но очень низкой теплопроводностью.Высокопористая структура с естественно образованными порами либо среди нанофибрилл, либо растущими на деревянных сосудах и фибриллярными просветами трахеид (ямками) снижает сопротивление переносу водяного пара и обеспечивает хороший поток воды (20,8 ± 0,8 кг · м ⁻² час ⁻¹ при 60 ° C) в тестах с прямым контактом MD (DCMD) (рис.1). Анизотропное свойство может позволить теплу распространяться в направлении нанофибрилл и уменьшать теплопередачу, в то время как высокая собственная проницаемость улучшает передачу водяного пара и, таким образом, конвективную теплопередачу.Вместе они обеспечивают мембрану превосходную термическую эффективность (71 ± 2% при 60 ° C) с одним из самых высоких значений среди всех описанных в литературе мембран MD ( 22 ). Гидрофобные деревянные мембраны также сравнивали с коммерческими мембранами с точки зрения мембранных структур [например, распределения пор по размеру (PSD) и теплопроводности] и характеристик MD (то есть потока, паропроницаемости и термической эффективности). На рис. 1В показан большой кусок мембраны из нанодревесины длиной 18 см, который демонстрирует масштабируемость процесса изготовления деревянной мембраны.Насколько нам известно, это первый отчет о гидрофобной мембране MD, изготовленной из экологически чистого древесного материала.

( A ) Схема MD с использованием деревянной мембраны. ( B ) Цифровая фотография нанодревесины и соответствующих полезных свойств для применения в МД. ( C ) Схема передачи воды (пара) и тепла в деревянной мембране во время MD. Фото: Т.Ли, Мэрилендский университет.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Уникальная пористая структура гидрофобной наноструктуры древесины как высокоэффективная мембрана

Гидрофобные древесные мембраны (Рис. 2, A, B и C и Рис. 3, A и B) были непосредственно получены из натуральная американская липа, в которой аморфный лигнин и гемицеллюлоза переплетаются с нанофибриллами целлюлозы ( 42 ). После химической обработки и очистки, как описано в разделе «Материалы и методы», мы сохранили микроструктуру древесины и иерархическое расположение.Для мембраны из нанодревесины лигнин и гемицеллюлоза были удалены, в то время как естественно выровненные нанофибриллы целлюлозы, изолированные друг от друга вдоль направления роста, можно непосредственно наблюдать с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) (рис. 2, D — H). Удаление смешанного лигнина и гемицеллюлозы для мембраны из нанодревесины значительно уменьшило связь и взаимодействие между фибриллами целлюлозы и агрегатами фибрилл внутри стенки фибрилл, что значительно увеличило гибкость и пористость ( 39 ).Полученные выровненные кристаллические нанофибриллы целлюлозы удерживались вместе за счет межмолекулярных водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса ( 43 ). Предположительно, эта выровненная структура с ослабленными взаимодействиями уменьшит теплопроводность в поперечном направлении, тем самым уменьшая потери тепла через кондуктивный перенос тепла во время MD.

( A ) Фотография гидрофобной мембраны из нанодревесины.( B ) Фотография, демонстрирующая гидрофобность после обработки силаном. ( C ) Угол контакта с водой мембраны из нанодревесины. ( D ) СЭМ-изображения поверхности нанодерева, которые демонстрируют выровненную текстуру, сосуды ксилемы и просветы (каналы). ( E ) СЭМ-изображения, на которых видны мезопоры [( G ) поперечное сечение и ( H ) ямки], растущие на стенках сосудов ксилемы и просвета. ( F ) СЭМ-изображения, на которых видны микроскопические поры между целлюлозными волокнами.( I ) PSD гидрофобных мембран из натуральной древесины и нанодревесины. Фото: Д. Хоу, Университет Колорадо.

( A ) Фотография гидрофобной мембраны из нанодревесины. ( B ) Фотография гидрофобной мембраны из натурального дерева. ( C ) Схематическое изображение измерения контактного источника тепла. ИК-термографы ( D ) древесных мембран. ( E ) Измеренная теплопроводность деревянных мембран от 40 ° до 60 ° C.( F ) Сравнение теплопроводности древесины при 60 ° C до и после обработки гидрофобным силаном. Планки погрешностей представляют собой SD, основанные на трех независимых экспериментах. Фото: Д. Хоу, Университет Колорадо.

В отличие от коммерческих мембран с вертикальными порами (например, пальцеобразная структура; рис. S7) ( 26 ), деревянные мембраны имели уникальную пористую структуру с естественно сформированными сосудами ксилемы и просветами (каналами), параллельными мембране. поверхность (рис.2D). Диаметр каналов составлял от 10 до 100 мкм, а поры каналов придали гидрофобной мембране из натурального дерева пористую структуру с пористостью 21 ± 3%. Впечатляет то, что удаление смешанного лигнина и гемицеллюлозы привело к потере ~ 70% массы в структуре древесины и, таким образом, дополнительно улучшило пористость более чем в четыре раза с 21 ± 3 до 89 ± 3% для гидрофобной нанодревесной мембраны. Обратите внимание, что пористость гидрофобной мембраны из нанодревесины также была больше, чем у коммерческих мембран, пористость которых варьировалась от 41 до 85% (Таблица 1) ( 10 , 15 , 22 , 25 , 28 ).Помимо увеличения пористости, удаление лигнина и гемицеллюлозы значительно сдвинуло PSD вправо (рис. 2I) и увеличило средний размер пор на ~ 56% с 0,18 ± 0,02 до 0,28 ± 0,03 мкм (таблица 1). Мы наблюдали полученную пористую структуру гидрофобной мембраны из нанодревесины с помощью SEM (рис. 2, D — H). Вдоль направления поперечного сечения мы также обнаружили микропоры среди нанофибрилл кристаллической целлюлозы (<100 нм; рис. 2F). Помимо пор между нанофибриллами, мы также наблюдали большое количество мезопор (ямок), растущих на сосудах ксилемы и просвете (от 5 до 10 мкм; рис.2, E, G и H), которые использовались для доставки воды и питательных веществ во время роста деревьев. В этом исследовании используется свойство газотранспорта этих пор, расположенных либо между нанофибриллами, либо на стенках каналов для транспортировки водяного пара. Уникальная пористая структура гидрофобной мембраны из нанодревесины привела к неоднородному PSD с несколькими пиками, которые полностью отличались от коммерческих мембран из ПП и ПТФЭ с очень однородными PSD (рис. S6). Благодаря большой пористости теоретическая теплопроводность гидрофобной мембраны из нанодревесины была уменьшена с 0.От 210 до 0,040 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ при 25 ° C (секция S12), что будет способствовать снижению кондуктивных потерь тепла. Более того, в отличие от коммерческих мембран с изотропной структурой и переплетенными волокнами (рис. S7), выровненные каналы нанофибрилл с высоким аспектным отношением приводили к анизотропному тепловому потоку в направлении выравнивания, а не в направлении поперечного сечения, что может дополнительно предотвратить передача тепла через древесную мембрану ( 39 ). Кроме того, предполагалось, что увеличенный размер пор и пористость улучшат паропроницаемость и увеличат поток воды (раздел 12), тем самым увеличивая конвективную теплопередачу ( 10 ).

LEP, давление жидкости на входе; ECTFE, этилен хлортрифторэтилен.

Как показано на рис. 2С и рис. S8, как гидрофобная мембрана из нанодревесины, так и мембрана из натурального дерева имели краевые углы контакта с водой более 140 °, что указывает на то, что изначально высокогидрофильная деревянная подложка (то есть без измеримого краевого угла смачивания воды) была успешно модифицирована, чтобы стать гидрофобной после фторирования поверхности.Гидрофобность обработанных деревянных мембран была лучше, чем у коммерческих мембран с подложкой из ПТФЭ или ПП, где краевые углы были ниже 130 ° (таблица 1) ( 22 , 26 ). Превосходная гидрофобность деревянных мембран была приписана обработке фторалкилсиланом (FAS), которая имеет сверхнизкую поверхностную энергию (13,1 мН м ^-1 ) по сравнению с PTFE (20 мН м ^-1 ) и PP (30 мН м ⁻¹ ) ( 26 , 44 ). Обратите внимание, что морфология поверхности и структура пор не изменились до и после фторирования поверхности методом ФАС (рис.S2). Благодаря хорошей гидрофобности и относительно небольшому размеру пор мембрана из нанодревесины продемонстрировала приличное давление на входе жидкости (LEP; ~ 74,7 ± 0,5 кПа), что свидетельствует о лучшей устойчивости к смачиванию мембраны по сравнению с промышленными мембранами из полипропилена. Однако было отмечено, что мембрана из нанодревесины показала меньшую LEP, чем мембрана из ПТФЭ (~ 130 кПа). Это связано с широкой PSD мембраны из нанодревесины, поскольку более крупные поры (> 0,4 ​​мкм) могут оказывать негативное влияние ( 45 ).

Характеристика теплопроводности мембраны из нанодревесины

Чтобы продемонстрировать теплоизоляционные свойства изготовленной гидрофобной мембраны из нанодревесины, мы протестировали образцы под токопроводящим источником тепла для моделирования DCMD.Температуру измеряли с помощью камеры инфракрасного излучения (ИК) (рис. 3). Было применено пять различных температур, и результаты показывают, что гидрофобная мембрана из нанодревесины дает более низкую температуру задней стороны, чем гидрофобная мембрана из натурального дерева, что объясняется ее низкой теплопроводностью и анизотропными свойствами ( 39 ).

Теплопроводность нанодревесины и натурального дерева постепенно увеличивалась с 0,210 до 0,270 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ и от 0.От 040 до 0,049 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ , соответственно, при повышении температуры источника тепла от 40 ° до 60 ° C (рис. 3E). Это предполагается из-за увеличения проводимости веществ клеточной стенки, а не увеличения проводимости газовой фазы или радиационной проводимости ( 46 ). Эта тенденция была более заметной для натуральной древесины (29%), чем для нанодревесины (23%) из-за присутствия гемицеллюлозы и лигнина, которые обладают меньшей термической стабильностью ( 47 ).Измеренная теплопроводность была сопоставима с теоретическими значениями (раздел S12), которые составляют 0,184 и 0,037 Вт · м ^-1 K ^-1 при 25 ° C для мембран из натурального дерева и нанодревесины, соответственно. Мембрана из нанодревесины показала более низкую теплопроводность, чем большинство коммерческих мембран, теплопроводность которых обычно выше 0,045 Вт · м ^-1 K ^-1 . Считалось, что эта более низкая теплопроводность снижает кондуктивные потери тепла во время MD и поддерживает эффективный температурный градиент на мембране.При нагревании токопроводящим источником тепла до 60 ° C было показано, что стабилизированная температура задней стороны гидрофобной натуральной древесины составляла 47 ° C, тогда как температура гидрофобных нанодревесин составляла 43 ° C, менее 200 мВт / см ^-2 ( Рис. 3D). Это прямо указывало на то, что нанодревесина демонстрирует лучшие теплоизоляционные свойства или меньшие теплопроводные потери, чем натуральное дерево. Соответственно, теплопроводность нанодревесной мембраны составила 0,049 ± 0,002 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ при 60 ° C (рис.3E), что составляло только 18% теплопроводности натуральной древесной мембраны (0,270 ± 0,005 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ при 60 ° C). Столь значительно более низкая теплопроводность нанодревесной мембраны объясняется не только более высокой пористостью (89 ± 3% против 21 ± 3%), но и большим размером пор (0,28 ± 0,03 мкм против 0,18 ± 0,02 мкм). Предыдущее исследование показало, что большее расстояние (размер пор) между волокнами, чем длина свободного пробега воздуха, может уменьшить теплопроводность через воздух.Уменьшение микропор и наноразмеров заметно для дальнейшего снижения теплопроводности ( 39 ). Кроме того, гемицеллюлоза (0,34 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ) и лигнин (0,39 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ) обладают более высокой теплопроводностью, чем нанокристаллическая целлюлоза (0,26 Вт · м ⁻¹ K. ^-1 ). Следовательно, удаление смешанных лигнина и гемицеллюлозы значительно снижает объемную теплопроводность нанодревесины. Отметим, что гидрофобная обработка FAS не привела к значительному изменению теплопроводности древесины (рис.3F).

Термически эффективное опреснение мембраны из нанодревесины

На рисунке 4 показан поток воды (пара) через гидрофобные деревянные мембраны. Сопровождаемый повышением температуры сырья с 40 ° до 60 ° C, поток воды через гидрофобные мембраны из натуральной древесины и нанодревесины увеличился с 1,4 ± 0,2 до 3,4 ± 0,5 кг м ⁻² час ⁻¹ и с 5,1 ± 0,1 до 20,8 ± 0,8 кг · м ⁻² час ⁻¹ соответственно. Хотя гидрофобная мембрана из нанодревесины была сопоставима по толщине с гидрофобной мембраной из натурального дерева, она показывала до ~ 6.Увеличение потока воды в 1 раз за счет увеличения пористости (в 4,2 раза) и размера пор (в 1,6 раза), что существенно снизило сопротивление парообмену. При температурах исходного материала и дистиллята 60 ° и 20 ° C, соответственно, поток воды через гидрофобную мембрану из нанодревесины (20,8 ± 0,8 кг · м ⁻² час ⁻¹ ) был близок к потоку воды в промышленных мембранах из полипропилена (~ 22,5 кг · м ⁻² час ⁻¹ ) (рис. 4A и рис. S10). Сравнимый поток объясняется гораздо более высокой пористостью (89 ± 3%) по сравнению с мембраной из полипропилена (~ 72%), что компенсирует недостаток большей толщины (502 ± 35 мкм против ~ 180 мкм).Не было ничего необычного в том, что все мембраны из ПТФЭ показали гораздо лучший поток воды (до 54,2 ± 3,1 кг · м ⁻² час ⁻¹ для 0,45 ПТФЭ при 60 ° C), чем деревянные мембраны. Лучший поток воды следует отнести за счет гораздо меньшей толщины (~ 130 мкм по сравнению с ~ 500 мкм мембраны из нанодревесины), что значительно снизило сопротивление паропереносу. Однако при нормировании по толщине мембрана из нанодревесины продемонстрировала очень высокую внутреннюю проницаемость (1,44 ± 0,09 кг · м ⁻¹ K ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ), которая составляла ~ 2 раза и ~ 1.В 2 раза лучше, чем у ПП (~ 0,65 кг · м ^-1 K ^-1 с ^-1 Па ^-1 ) и PTFE (~ 1,2 кг · м ^-1 K ^-1 с ⁻¹ Па ⁻¹ ) соответственно (рис. 4В). Более высокая проницаемость объясняется гораздо большей пористостью (89 ± 3%) по сравнению с мембранами из ПП (~ 72%) и ПТФЭ (~ 75%). Экспериментальная проницаемость была подтверждена теоретическими значениями, основанными на модели запыленного газа, которая показала, что проницаемость пара через древесину и мембраны из ПТФЭ с меньшими размерами пор (<1.4 мкм; 100-кратная длина свободного пробега водяного пара при 50 ° C) преобладала диффузия Кнудсена и обычная молекулярная диффузия ( 48 , 49 ). Это отличалось от полипропиленовой мембраны (размер пор> 1,7 мкм) с вязкой диффузией в качестве основного механизма переноса. В соответствии с результатами других исследований, внутренняя проницаемость как нанодревесины, так и промышленных мембран была в целом выше теоретической проницаемости (рис. S13), которая предполагала цилиндрические несвязанные поры с одинаковым размером (раздел S15) ( 23 , ). 24 ).Было высказано предположение, что усиленная обычная молекулярная диффузия через большие поры между целлюлозными волокнами и вязкая диффузия в соединенных между собой каналах нанодревесины объясняется более высокой на 26% собственной проницаемостью по сравнению с мембранами из ПТФЭ ( 23 , 24 ). Другим фактором, способствующим этому, могло быть анизотропное тепловое свойство мембраны из нанодревесины (секция S5), которая, как полагали, способствует передаче тепла вдоль мембраны, тем самым помогая поддерживать градиент температуры и способствуя потоку.Хотя нанодревесина продемонстрировала на ~ 20% более высокую пористость и внутреннюю проницаемость, преимущества были компенсированы недостатками, заключающимися в более высокой толщине и меньшем размере пор (0,28 ± 0,03 мкм по сравнению с ~ 0,34 мкм мембран из ПТФЭ) ( 10 ). Следовательно, в будущих исследованиях следует изготавливать более тонкие деревянные мембраны для лучшего потока ( 10 ). На рисунке S16 показан поток воды через деревянную мембрану (отторжение соли> 99,8%), который сохранялся стабильным в течение как минимум 6 часов, прежде чем снизился из-за намокания.Однако производительность восстановилась после промывки деионизированной (ДИ) водой и этанолом с последующей сушкой. Улучшенная обработка силаном, такая как добавление наночастиц диоксида кремния, может помочь продлить срок службы мембраны без изменения структуры древесины ( 44 , 50 ).

( A ) Водный поток и ( B ) экспериментальная теплопроводность для гидрофобных деревянных мембран с температурой подачи, непрерывно изменяющейся от 40 ° до 60 ° C, и температурой дистиллята 20 ° C.( C ) Собственная проницаемость мембран. ( D ) Температурный КПД в зависимости от потока воды деревянных мембран и промышленных мембран. Планки погрешностей представляют собой SD, основанные на трех независимых экспериментах.

Тепловой КПД — это рабочий параметр при определении КПД ( 10 , 22 ). Тепловая эффективность может указывать на то, насколько эффективно мембрана использует тепловой градиент для переноса пара по сравнению с кондуктивными потерями тепла ( 22 ).Более высокий тепловой КПД является результатом более высокой конвективной теплопередачи и / или менее теплопроводной теплопередачи через материал мембраны ( 10 ). Для мембран в исследовании, термический КПД имеет существенную зависимость от потока воды (температура подачи; рис. 4D). Тепловой КПД мембран из нанодревесины и натуральной древесины увеличивался вместе с увеличением температуры источника тепла с 40 ° до 60 ° C. Считается, что это связано с более быстрым развитием конвективной теплопередачи, чем кондуктивной теплопередачи.Более того, гидрофобная мембрана из нанодревесины продемонстрировала хороший термический КПД до 71 ± 2% при 60 ° C, что представляет собой одно из самых высоких значений, достигнутых на сегодняшний день в MD ( 22 ). Напротив, гидрофобная мембрана из натурального дерева имела очень ограниченную термическую эффективность — 12 ± 2%. В результате этой мембране для работы потребуется в шесть раз больше энергии по сравнению с гидрофобной мембраной из нанодревесины. Хорошая термическая эффективность гидрофобной мембраны из нанодревесины была приписана не только ее сверхнизкой теплопроводности (0.080 против 0,30 ± 0,02 Вт м ⁻¹ K ⁻¹ для мембраны из натуральной древесины при 60 ° C), но также и ее высокой пористостью (89 ± 3% против 21 ± 3%) и большим размером пор (0,28 ± 0,03 мкм против 0,18 ± 0,02 мкм). Низкая теплопроводность мембраны снизила кондуктивную теплопередачу через материал мембраны, в то время как высокая пористость и больший размер пор уменьшили сопротивление передаче воды, тем самым увеличив поток воды и конвективный теплоперенос ( 10 , 21 , 22 ).Превосходные теплоизоляционные свойства предотвращают кондуктивные потери тепла и компенсируют ограничение низкого потока воды и конвективной теплопередачи. Благодаря малой толщине и большей пористости коммерческая мембрана из ПТФЭ 0,45 продемонстрировала самый высокий поток воды среди всех протестированных мембран. Однако обратите внимание, что мембрана из ПТФЭ 0,45 продемонстрировала более низкую внутреннюю проницаемость (1,15 ± 0,16 × 10 ⁻¹⁰ кг · м ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ), чем мембрана из нанодревесины (1,15 ± 0,16 × 10 ⁻¹⁰ кг · м ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ).44 ± 0,09 × 10 ⁻¹⁰ кг · м ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ) при 60 ° C, что указывает на сравнительно ограниченную конвективную теплопередачу ( 24 ). Кроме того, страдая от более высокой теплопроводности и, следовательно, более высокой теплопроводности, ее тепловой КПД (59 ± 2%) был ниже, чем у мембраны из нанодревесины, что означает, что мембрана из нанодревесины производила в 1,2 раза больше пресноводного пермеата, чем коммерческий PTFE мембран на килоджоуль тепловой энергии при 60 ° C.Хотя коммерческие полипропиленовые мембраны показывают меньшую теплопроводность, чем мембраны из ПТФЭ, ограниченная внутренняя проницаемость (~ 0,65 × 10 ⁻¹⁰ кг · м ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ) ограничивала конвективный тепловой поток и , таким образом, привело к низкому тепловому КПД (до 44 ± 1% для 0,22ПП; таблица 1) при 60 ° C. Собственная проницаемость нанодревесины в этом исследовании была сопоставима с проницаемостью волокнистой целлюлозно-аэрогелевой мембраны (~ 1,4 × 10 ⁻¹⁰ кг · м ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ) с высокой пористостью 98 % ( 24 ).Это говорит о том, что благодаря уникальной структуре с большим размером пор и более широкой PSD мембрана из нанодревесины компенсирует недостаток более низкой пористости ( 23 ). Однако отметим, что влияние уникальной анизотропной структуры с большой PSD на тепломассоперенос до сих пор неясно и требует дальнейшего изучения.

ПОСЛЕДСТВИЯ И БУДУЩАЯ РАБОТА

Полностью полученная из обильного и устойчивого натурального дерева, недавно разработанная гидрофобная мембрана из нанодревесины продемонстрировала превосходные свойства и потенциал в MD для опреснения воды.Мембрана продемонстрировала хороший поток воды (перенос водяного пара) и превосходный тепловой КПД (до 70%), сравнимый или даже выше, чем у коммерческих полимерных мембран, изготовленных из нефтепродуктов. Исключительный тепловой КПД объясняется его высокой внутренней проницаемостью (1,44 ± 0,09 кг · м ⁻¹ K ⁻¹ с ⁻¹ Па ⁻¹ ) и сверхнизкой теплопроводностью (0,040 Вт · м ⁻¹ ). K ⁻¹ ), которые способствовали конвективной и кондуктивной теплопередаче соответственно.Кроме того, считается, что анизотропные тепловые свойства мембраны из нанодревесины способствуют передаче тепла вдоль мембраны, тем самым помогая поддерживать температурный градиент и способствуя потоку. Однако для количественной оценки этих преимуществ необходимо будет измерить и сравнить локальные разницы температур. Вместо использования сложных производственных процессов, таких как производство ПП и ПТФЭ, мембрану из нанодревесины можно изготавливать с помощью масштабируемого подхода «сверху вниз» с помощью простой химической обработки.В качестве доказательства концепции масштабируемости мы построили куски мембраны из нанодревесины длиной более 15 см и толщиной менее 500 мкм. Недавно разработанная мембрана из нанодревесины в качестве термоэффективной мембраны обладает большим потенциалом для использования низкопотенциального тепла из различных источников для опреснения воды. Оптимизация размера и толщины пор может быть достигнута путем выбора других пород древесины и использования микротомов. Будущие древесные мембраны на биологической основе с такой уникальной структурой пор также могут быть созданы с использованием наноцеллюлозных волокон посредством электроспиннинга.Из-за гидрофильной природы наноцеллюлозных материалов необходимы дальнейшие улучшения для повышения эффективности гидрофобной обработки и долговечности мембран в условиях высоких температур и химических условий. Кроме того, необходимо усовершенствовать методы изготовления для получения более тонких и крупных мембранных материалов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Материалы и химические вещества

Все рабочие растворы были приготовлены с использованием химикатов класса American Chemical Society (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA) и воды Milli-Q (18.2 МОм ∙ см) на протяжении всего исследования, если не указано иное. Раствор для удаления лигнина содержал 2,5 М NaOH и 0,4 М Na ₂ SO ₃ , а отбеливающий раствор представлял собой 2,5 М H ₂ O ₂ . Смесь 95 мас.% (Мас.%) Этанола, 2 мас.% FAS (перфтордецилтриэтоксисилан, C ₁₆ H ₁₉ F ₁₇ O ₃ Si; Sigma-Aldrich) и 3 мас.% Воды Milli-Q (pH, доведенный до pH 5,0 с помощью уксусной кислоты) готовили и использовали в качестве раствора силана для гидрофобной обработки.Смесь перемешивали на магнитной мешалке в течение 24 часов для гидролиза силана. Механизм обработки силаном можно найти в разделе S1 ( 50 ). Коммерческие гидрофобные мембраны (таблица 1 и рис. S5) для сравнительных испытаний были приобретены у Tisch Scientific, North Bend, OH.

Подготовка и характеристика мембраны Nanowood

В качестве базовой древесины в данном исследовании использовалась американская липа, закупленная у Walnut Hollow Company. Для изготовления мембран были подготовлены два вида древесины.Один тип мембраны был изготовлен из натурального дерева без обработки лигнином, а другой был построен с использованием обработанного нанодревесины, которое подверглось процессу удаления лигнина для увеличения гибкости и пористости. Нанодревесину готовили из кусочков натуральной древесины (толщиной 2 мм) путем кипячения древесины в направлении волокон целлюлозы в течение 12 часов с последующей трехкратной промывкой горячей дистиллированной водой для удаления остатков ( 51 , 52 ). Затем изделие погружали в кипящий отбеливающий раствор до тех пор, пока древесина не побелела (рис.3, А и Б). Наконец, каждый образец древесины промывали холодной водой и сушили вымораживанием, чтобы сохранить нанопористую структуру делигнифицированной древесины ( 39 ).

Аналогичные процедуры использовались для изготовления мембран из нанодревесины и натурального дерева. После вышеуказанной обработки средняя толщина нанодревесины составила 502 ± 35 мкм, а средняя толщина натурального дерева составила 540 ± 15 мкм (рис. S3). Древесина состоит из естественно выровненных целлюлозных волокон с большим количеством гидроксильных функциональных групп, которые позволяют модифицировать поверхность с помощью химии силана (рис.S1). Нанодревесину погружали в раствор FAS при осторожном перемешивании на 10 часов, чтобы обеспечить полную инфильтрацию перед тщательной промывкой этанолом. Затем обработанная FAS древесина была подвергнута термообработке при 120 ° C в течение 4 часов в вакуумной печи (-80 кПа). После этой обработки гидрофильные древесные мембраны стали гидрофобными при загрузке древесины FAS (71,3 ± 5,4 мг FAS g ^-1 ). Образцы мембран были охарактеризованы с использованием SEM, измерения краевого угла, PSD, пористости и теплопроводности ( 24 , 39 , 53 — 55 ), а производительность при опреснении сравнивалась с коммерческими мембранами MD.

Измерения краевого угла смачивания и измерения LEP.

Измерения краевого угла смачивания проводили с использованием гониометра краевого угла смачивания (модель 250, ramé-hart, Netcong, NJ) методом лежащей капли ( 54 ). Измерения проводились путем помещения образца на измерительную платформу вместе с объективом камеры для захвата изображения. Каплю деионизированной воды объемом 3 мкл наносили с помощью шприца, помещенного над поверхностью. Краевой угол смачивания измеряли и анализировали с помощью встроенного программного обеспечения. По крайней мере, три измерения были проведены в каждом из трех разных мест для одного образца мембраны, и данные были усреднены.

LEP измеряли с использованием ячейки с нержавеющей мембраной (Sartorius), где деионизированная вода помещалась на мембрану, а давление в держателе образца увеличивалось путем пропускания газообразного азота. Давление, при котором поток газа регистрировался расходомером, сообщалось как LEP.

PSD и измерения пористости

PSD подготовленных мембран определяли с помощью капиллярного порометра (CFP; Porolux 1000, IB-FT GmbH, Германия). Мембрана была полностью смочена Porefil, после чего были проведены измерения, описанные Nakao ( 53 ) и Khayet и Matsuura ( 56 ).PSD был получен с помощью сопряженного программного обеспечения CFP.

Пористость мембраны определяли гравиметрическим методом ( 24 , 55 ). В частности, кусок мембраны сушили при 40 ° C в течение 5 часов в печи и затем взвешивали с использованием аналитических весов (Denver PI-214A). Затем образец полностью погружали в 2-пропанол на 1 день для полной инфильтрации спирта. После смачивания образец очищали от остатков с поверхности и взвешивали.Пористость (ε) оценивалась с использованием уравнения ε = VporeVtotal = mIPAρIPAVtotal (1), где V , м и ρ — объем, масса и плотность, соответственно, а IPA означает 2-пропанол. На каждом образце было проведено три независимых измерения.

Измерения тепловых свойств

Тепловые свойства мембран были охарактеризованы с использованием теплопроводного источника тепла с площадью контакта 4 мм на 4 мм через проводящую термопасту. ИК-термограммы были сняты с помощью ИК-камеры (T630sc от FLIR).Устойчивое состояние было достигнуто до того, как данные были записаны при комнатной температуре (21 ° C). Теплопроводность древесины измерялась с помощью устройства лазерной вспышки (LFA), во время которого мгновенный лазерный импульс использовался для нагрева одной стороны образца, а реакция температуры на другой стороне регистрировалась детектором. Теплопроводность κ образца рассчитывалась согласно Li et al. ( 39 ). Вкратце, мгновенный лазерный импульс облучали с одной стороны образца, а температурный отклик с другой стороны регистрировался детектором LFA 457 (NETZSCH, Берлингтон, Массачусетс) для измерения температуропроводности.Для определения теплоемкости использовался метод дифференциальной сканирующей калориметрии с сапфировым эталоном. Затем можно вычислить теплопроводность k , умножив коэффициент температуропроводности и теплоемкость на объемную плотность материала (0,13 ± 0,03 г см ^-3 ). Перед измерением образцы хранили при 25 ° C и 20% влажности как минимум 24 часа.

Реактор MD и работа

Характеристики мембраны оценивались с использованием лабораторного прибора DCMD (рис.S9). Мембраны вставляли в изготовленную по индивидуальному заказу акриловую ячейку с эффективной площадью мембраны 8 см ² (длина 4 см на ширину 2 см). Потоки горячего сырья [NaCl (1 г литр ^-1 )] и холодного дистиллята (DI) циркулировали с помощью двух шестеренчатых насосов с регулируемой передачей (Cole-Parmer, Vernon Hills, IL), а температуру контролировали с помощью двух рециркуляционных водяных бань (Polystat Стандарт, Коул-Пармер, Вернон-Хиллз, Иллинойс). Ромбовидные полиэфирные прокладки были вставлены в каналы подачи и дистиллята для поддержки и сохранения геометрии мембраны в ячейке.Во время работы был принят параллельный поток, параллельный направлению роста волокон деревянной мембраны, со скоростью потока 220 мл мин ^-1 (эквивалентно скорости поперечного потока 8,0 см с ^-1 ) для как сырье, так и дистиллят. Поток водяного пара, Дж, _w , через мембрану измеряли путем отслеживания увеличения массы дистиллята с помощью цифровых весов (NVT6200, OHAUS, Парсиппани, Нью-Джерси). Прирост массы дистиллята регистрировали на портативном компьютере с интервалом в 1 минуту.Прохождение соли контролировали путем измерения концентрации соли в дистилляте с помощью калиброванного измерителя проводимости (OAKTON Instruments, Vernon Hills, IL) с 1-минутными интервалами. Характеристики мембраны для каждого образца были измерены для трех различных наборов температур подачи (40 °, 50 ° и 60 ° C), в то время как температура дистиллята была фиксированной на уровне 20 ° C. Каждый температурный режим работал в течение 30 мин. Экспериментальная теплопроводность и собственная проницаемость рассчитывались согласно модифицированному методу Шофилда (раздел S14) ( 22 ).Механизм переноса и теоретическая проницаемость водяного пара через мембрану (раздел S15) были смоделированы с использованием широко принятой «модели запыленного газа», которая учитывала вязкую диффузию, обычную молекулярную диффузию и диффузию Кнудсена ( 23 , 24 , 57 , 58 ).

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/5/8/eaaw3203/DC1

Раздел S1.Механизм обработки гидрофобного силана

Раздел S2. Мембрана из нанодревесины до и после гидрофобной обработки

Раздел S3. Мембраны из натурального дерева

Секция S4. Сравнение деревянных мембран и обычных бумаг

Раздел S5. Анизотропные теплоизоляционные свойства нанодревесной мембраны и потенциальные преимущества

Раздел S6. Коммерческие гидрофобные мембраны

Раздел S7. Распределение пор коммерческих мембран по размерам

Раздел S8.Морфология и структура пор промышленных мембран

Раздел S9. Гидрофобность / гидрофильность поверхности

Раздел S10. Реакторы DCMD и их конфигурации

Раздел S11. Водяной поток товарных мембран

Раздел S12. Теоретическая оценка теплопроводности

Раздел S13. Теплоизоляция товарных мембран

Раздел S14. Экспериментальная теплопроводность и проницаемость мембраны

Участок S15. Теоретический коэффициент проницаемости и собственная проницаемость

Участок S16.Прочность деревянной мембраны

Раздел S17. Нанесение древесной мембраны и обрастание

Рис. S1. Схема гидрофобной обработки деревянных мембран с использованием силанового связующего агента ( 50 ).

Рис. S2. Морфология поверхности и распределение пор по размерам нанодревесной мембраны до и после гидрофобной обработки.

Рис. S3. Визуальные изображения гидрофобной мембраны из натурального дерева после обработки силаном.

Рис. S4. Температурные зависимости изотропных и анизотропных теплоизоляторов от точечного источника тепла.

Рис. S5. Визуальные изображения коммерческих гидрофобных мембран, приобретенных у Tisch Scientific (North Bend, Ohio).

Рис. S6. PSD товарных мембран.

Рис. S7. СЭМ-изображения поверхности и поперечного сечения промышленных мембран.

Рис. S8. Водные углы смачивания промышленных и гидрофобных мембран из натурального дерева.

Рис. S9. Схема, изображения и интерфейс управления аппаратом для прямой контактной мембранной дистилляции (DCMD).

Рис. S10. Водный поток промышленных полимерных мембран в DCMD с температурой исходного материала [NaCl (1 г литр ^-1 )], постоянно меняющейся от 40 ° до 60 ° C, и температурой дистиллята (деионизированной воды) 20 ° C.

Рис. S11. ИК-термографы товарных мембран с температурой источника тепла 60 ° C.

Рис. S12. Температурные графики анизотропных нанодревесин и изотропных промышленных мембран от точечного источника тепла.

Рис. S13. Сравнение экспериментально измеренной внутренней (нормированной по толщине) мембранной проницаемости древесины и промышленных мембран.

Рис. S14. Водный поток гидрофобных древесных мембран в DCMD с исходной [NaCl (1 г литр ^-1 )] и температурами дистиллята (деионизированная вода) регулируются на уровне 60 ° и 20 ° C, соответственно.

Рис. S15. Водный поток гидрофобной мембраны из нанодревесины в DCMD с [NaCl (35 г литр ^-1 ) и синтетическими сточными водами] и дистиллятом (деионизированная вода) температурами, контролируемыми на уровне 60 ° и 20 ° C, соответственно.

Таблица S1. Сравнение нанодревесины и обычной бумаги.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что конечное использование будет , а не для коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно цитируется.

ССЫЛКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

1. ↵

   Программа Организации Объединенных Наций по оценке водных ресурсов мира, «Доклад Организации Объединенных Наций о мировом развитии водных ресурсов 2018: Природные решения для водных ресурсов» (Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры, 2018).

2. ↵
4. ↵
5. ↵
6. ↵
7. ↵
8. ↵
9. ↵
10. ↵
11. ↵

    П. Денхольм, М. О’Коннелл, Г. Бринкман, Дж. Йоргенсон, Избыточное образование от солнечной энергии в Калифорнии.Полевое руководство к диаграмме утки (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, 2015 г.).

13. ↵
14. ↵
15. ↵
16. ↵
17. ↵
19. ↵
20. ↵
21. ↵
22. ↵
23. ↵
24. ↵
25. ↵
26. ↵
27. ↵
900 ↵
29. ↵
30. ↵
31. ↵
37. ↵
38. ↵
39. ↵
40. ↵
41. ↵
42. ↵
43. ↵
44. ↵
45. ↵
47. ↵
48. ↵
50. ↵
51. ↵
52. ↵
53. ↵
54. ↵

    Y.Юань, Т. Р. Ли, Угол смачивания и смачивающие свойства, в Surface Science Techniques , G. Bracco, B. Holst, Eds. (Springer, 2013), стр. 3–34.

55. ↵
56. ↵
57. ↵

    Э. А. Мейсон, А. П. Малинаускас, Транспортировка газа в пористых средах: модель Dusty-Gas , т. 17 из Химическая инженерия Монографии , А. П. Малинаускас, Под ред. (Эльзевир, 1983).

58. ↵

59. М. Г. Каганер, Теплоизоляция в криогенной технике (Израильская программа научных переводов, 1969).

Благодарности: Мы благодарим Х. Чжао (Университет Колорадо в Боулдере), В. Гана, Р. Ми (Мэрилендский университет, Колледж-Парк) и З. Ванга (Йельский университет) за большую помощь в определении характеристик мембран. . Финансирование: Мы ценим финансовую поддержку Министерства сельского хозяйства США (2017-67022-26135) и Управления военно-морских исследований (N000141612210). Работа в Университете Мэриленда поддерживается Фондом А. Джеймса и Элис Б. Кларк и Фондом А.Джеймс Инженерная школа Университета Мэриленда. Вклад авторов: D.X. Хоу, Т.Л., Л.Х. и З.Дж.Р. написал рукопись. D.X. Хоу, Т.Л., Л.Х. и З.Дж.Р. задумал эксперименты. X.C. проведена часть МД эксперимента и определение характеристик флюса. S.H. и J.D. выполнили измерения на сканирующем электронном микроскопе. С.А.М., Д.Ю. Хоу и Р. выполнил часть термоизмерений. А.И. и Д.Дж. выполнил часть мембранных характеристик. Конкурирующие интересы: L.H., T.L. и S.H. являются изобретателями по международной патентной заявке, связанной с этой работой, поданной Мэрилендским университетом, Колледж-Парк (No.PCT / US2018 / 051091, подана 14 сентября 2018 г.). Все остальные авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Белые древесные материалы были изготовлены в Университете Мэриленда. Запросы на эти материалы следует направлять в Управление коммерциализации технологий Университета Мэриленда. Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2019 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригинальным работам правительства США. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Определение мембраны по Merriam-Webster

1 : тонкий мягкий гибкий лист или слой, особенно животного или растительного происхождения.

2 : кусок пергамента, составляющий часть рулона.

Наружная мембрана бактерий представляет собой эволюционирующий антибиотический барьер

Наружная мембрана (OM) дидерм «грамотрицательного» класса бактерий является важной органеллой и надежным барьером проницаемости, который не позволяет многим антибиотикам достигать своих внутриклеточных мишеней (1) .OM представляет собой уникальный асимметричный липидный бислой (рис.1): внутренний листок состоит из фосфолипидов (PL), а внешний листок состоит почти исключительно из гликолипида, называемого липополисахаридом (LPS, у бактерий, которые прикрепляют длинные повторы сахара к гликолипиду) или липоолигосахариду (LOS, у бактерий, которые присоединяют только короткий олигосахарид, чтобы покрыть гликолипид) (1). Сборка этих липидов в непрерывный барьер и то, как этот барьер поддерживается в ответ на повреждение, представляет собой увлекательную биологическую проблему.И PL, и LPS / LOS синтезируются внутри клетки, поэтому они должны сначала пройти через внутреннюю мембрану (IM), а затем пройти через враждебную водную периплазматическую среду, прежде чем они будут собраны в OM. Работа за последнее десятилетие открыла белковый мостик, который связывает IM и OM и позволяет LPS / LOS течь непосредственно во внешнюю створку OM (2). Как PLs транспортируются в OM, остается загадкой. Понимание путей биогенеза ОМ является актуальной задачей. Срочно необходимы новые антибиотики против грамотрицательных бактерий (3).Уровень устойчивости к антибиотикам продолжает неуклонно расти, в то время как последний действительно новый антибиотик, эффективный против грамотрицательных бактерий, был открыт в 1960-х годах (3). Есть надежда, что лечение, мешающее биогенезу ОМ, предложит новые смертельные терапевтические средства или поможет проникнуть грамотрицательными бактериями в существующие лекарства. Пока это обещание не будет реализовано, клиницисты все чаще вынуждены полагаться на антибиотики в крайнем случае, которые когда-то были исключены из-за их неблагоприятных профилей токсичности, включая нацеленный на ОМ антибиотик колистин (полимиксин E) (4).В PNAS Пауэрс и Трент (5) предоставляют новое понимание того, как устойчивые к колистину бактерии развивают улучшенную физическую форму, изменяя свой состав ОМ. Примечательно, что их работа предоставила неожиданное понимание транспорта PL в клеточной оболочке.

Архитектура грамотрицательного конверта. ОМ и ИМ разделены водной периплазмой. Липиды ОМ распределяются симметрично, при этом поверхностные гликолипиды (LPS / LOS) удерживаются вместе за счет мостикового соединения двухвалентных катионов. PL находятся во внутренней створке, но могут неправильно локализоваться при повреждении OM.Пути PldA и Mla работают вместе, чтобы удалить неправильно локализованные PL и восстановить асимметрию. В LOS-дефицитных клетках конститутивная активность PldA и Mla вредна, поскольку клетка пытается поддерживать липидный бислой OM.

Строгая липидная асимметрия в бислое является ключом к барьерной функции OM (Fig. 1). LPS / LOS на поверхности клетки укрепляет мембрану против антибиотиков и детергентов (например, желчных солей) несколькими способами: во-первых, эти молекулы плотно упаковывают внешний листок насыщенными ацильными цепями, что делает его чрезвычайно гидрофобным, и, во-вторых, липид и сахаридные части отдельных молекул LPS / LOS каждая несут отрицательные заряды, которые позволяют межмолекулярным мостиковым взаимодействиям происходить посредством связывания двухвалентных катионов (1).Эти мостиковые взаимодействия между соседними молекулами LPS / LOS приводят к тесным латеральным взаимодействиям, которые изолируют мембрану от антибиотиков и детергентов, которые в противном случае способны проникать в типичный бислой PL. Полимиксины, класс антибиотиков, который включает колистин, непосредственно повреждают ОМ, нарушая мостиковые взаимодействия LPS / LOS (6). Полимиксины — это катионные молекулы, которые конкурентно связывают отрицательные заряды на LPS / LOS, но, поскольку они не допускают мостиковых взаимодействий, полимиксины ослабляют латеральные взаимодействия LPS / LOS и дестабилизируют ОМ (рис.1) (6).

Несмотря на то, что колистин редко используется в качестве последнего средства лечения, резистентность к колистину не исчезла. Как правило, любая из нескольких ферментативных модификаций LPS / LOS может уменьшить его отрицательный заряд и тем самым уменьшить связывание колистина (6). Acinetobacter baumannii — распространенный патоген человека с множественной лекарственной устойчивостью, который лечится клинически колистином (6). Пауэрс и Трент (5) изучают штамм A. baumannii , которые предприняли замечательный шаг по полной инактивации продукции LOS и приобрели высокую устойчивость к колистину.Для большинства грамотрицательных бактерий продукция LPS / LOS важна для жизнеспособности; A. baumannii относится к небольшой группе, которая может переносить потерю LOS (7). Эта стратегия резкого сопротивления не обходится без значительных затрат на фитнес. Отсутствие LOS радикально изменяет OM: PL заменяют LOS во внешней створке, и OM становится симметричным бислоем PL. В результате дефицит LOS вызывает серьезное снижение скорости роста in vitro, клетки становятся проницаемыми для больших антибиотиков, а вирулентность заметно снижается (8).

Последствия недостаточности LOS очевидны, но штамм A. baumannii остаются жизнеспособными. Что позволяет некоторым бактериям выжить без LPS / LOS, а другим — нет? Потенциально ответ может быть получен при изучении того, как A. baumannii адаптируется к потере LOS. Пауэрс и Трент (5) пытались получить представление о такой адаптации путем последовательного культивирования LOS-дефицитного A. baumannii и изучения спонтанных мутаций, которые возникают для улучшения приспособленности. В течение 120 поколений их данные сходятся к одному центральному выводу: когда OM сталкивается с дефицитом липидов (потому что LOS отсутствует), две системы, путь Mla и фосфолипаза PldA OM, которые, как предполагается, удаляют PL из OM, становятся вредны для пригодности (рис.1). Спонтанно возникают мутации, инактивирующие как Mla, так и PldA, чтобы повысить скорость роста LOS-дефицитных клеток. Что еще более удивительно, эти мутации также каким-то образом помогают восстановить антибиотический барьер против крупных антибиотиков.

Химическое повреждение или дефекты сборки OM позволяют PL перемещаться к наружной створке (1). Эти неправильно локализованные PL нарушают липидную асимметрию и нарушают целостность барьера (1). Генетические данные из Escherichia coli показали, что Mla и PldA действуют вместе, чтобы сохранить липидную асимметрию ОМ (9).Мультибелковая система Mla имеет компоненты в каждом отсеке клеточной оболочки: интегральный липопротеин MlaA OM, растворимый периплазматический шаперон MlaC и комплекс транспортера IM ATP-связывающей кассеты (ABC) MlaBDEF (рис. 1) (9⇓⇓⇓ –13). Отсутствие какого-либо белка Mla инактивирует систему и позволяет PL накапливаться во внешнем листке (9). Неправильно локализованные PLs могут быть обнаружены (хотя и косвенно), потому что они становятся субстратами для реакции модификации LPS, которая происходит только во внешней створке OM (14).Эти PL также являются субстратами для фосфолипазы PldA, активный сайт которой стратегически расположен во внешнем листке (15). PldA процессивно деградирует неправильно локализованные PL, чтобы удалить их из OM (Fig. 1) (15). В клетках дикого типа инактивация мутации pldA не вызывает значительных дефектов (9). Однако объединение мутаций в pldA и mla вызывает серьезную чувствительность к детергентам и заметное увеличение неправильно локализованных PL; эти дефекты у двойного мутанта больше, чем наблюдаемые с любой одиночной мутацией (9).Более того, спонтанные супрессорные мутации, которые увеличивают продукцию PldA, могут дополнять дефекты мутаций в mla .

Поскольку их отсутствие приводит к большему количеству PL во внешней створке OM, путям Mla и PldA приписывают роли в удалении PL из OM: PldA путем деградации неправильно локализованных PL и Mla путем транспортировки их обратно в IM. Действительно, IM-белок MlaD принадлежит к классу белков, которые участвуют в импорте липидов в различных организмах. MlaD обладает доменом входа в клетки млекопитающих (MCE), который был идентифицирован в дидермах Mycobacterium tuberculosis как важный для вирулентности, но с тех пор было показано, что этот домен связывает липиды (10, 12).В M. tuberculosis белки MCE необходимы для импорта липидов, что позволяет этим бактериям метаболизировать холестерин хозяина (16). Белок MCE присутствует даже в хлоропластах, которые имеют внутреннюю и внешнюю оболочку (вероятно, из-за их цианобактериального происхождения). В растительных клетках липиды обмениваются между эндоплазматическим ретикулумом (ER) и внешней оболочкой мембраны (17). MCE-содержащий белок TGD2 необходим для последующего импорта липидов, происходящих из ER, с внешней на внутреннюю оболочку мембраны, чтобы они могли метаболизироваться в хлоропласт-специфические липиды.

Предполагаемый ретроградный транспорт PL (от OM к IM) системой Mla был поддержан мутантами mla , проявляющими накопление PL наружных листочков, комплементацию этого mla мутантного фенотипа фосфолипазой PldA и функции Белки MCE (9). Недавние структурные исследования компонента OM, MlaA, выявили центральную пору, открывающуюся к наружной створке, и структуры, которые препятствуют проникновению PL внутренних створок в пору (11, 13).

Удивительно, но LOS-дефицитный A.baumannii , как было ранее обнаружено, демонстрирует резкое увеличение транскрипции генов mla (18, 19). Почему клетка должна увеличивать экспрессию системы, которая удаляет липиды из ОМ, если в отсутствие продукции LOS эта органелла сталкивается с дефицитом липидов? Более разумным подходом должно быть увеличение антероградного транспорта PL (от IM к OM) для обеспечения дополнительных PL, необходимых для построения OM. Важно отметить, что массовая транспортировка PL в ОВ еще не учтена.Повышение регуляции mla генов при отсутствии LOS, по-видимому, указывает на то, что, возможно, по крайней мере в этом организме, Mla может функционировать в антероградном направлении или двунаправленно. Замечательная мутация mlaA , по-видимому, частично подтвердила эту возможность. Мутация mlaA *, по-видимому, активно способствует перемещению PL к наружному листку (20). Однако эта деятельность полностью независима от системы Mla; Удаление любого другого гена mla в мутанте mlaA * не подавляет эту активность (20).Скорее, мутантный белок MlaA * функционирует аберрантно, позволяя проходить PL внутренних листочков к внешнему листку (11, 13, 20).

Обнаружение того, что мутации, инактивирующие как Mla, так и PldA, возникают для увеличения приспособляемости LOS-дефицитного A. baumannii , может указывать только на одно направление транспорта липидов для Mla: он должен работать ретроградным образом. Поскольку LOS-дефицитный OM стал бислоем PL, Mla д. Быть конститутивно активным. Однако его деятельность бесполезна; клетка сталкивается с дефицитом липидов в ОМ.Преимущество пригодности, заключающееся в инактивации как Mla, так и PldA, позволяет клеткам продолжать накапливать PL в OM в попытке построить OM, который, в конце концов, остается важной органеллой. Выводы Пауэрса и Трента (5) позволяют использовать несколько штаммов и беспристрастный подход: штаммы с дефицитом LOS просто культивируются, и лучшее эволюционное решение побеждает. Итак, поразительно, что одно и то же решение независимо возникло во всех, кроме одного, из эволюционировавших LOS-дефицитных штаммов (задержка несет мутацию в системе передачи сигнала, которая, вероятно, является плейотропной).Эта работа является напоминанием о том, что профили экспрессии генов не обязательно предсказывают ключевые детерминанты приспособленности (21).

Развитый LOS-дефицитный A. baumannii также демонстрирует повышенную устойчивость к большим антибиотикам, что позволяет предположить, что качество барьера ОМ каким-то образом улучшилось. Учитывая быстрое развитие приспособленности, можем ли мы встретить в клинике устойчивый к колистину, дефицитный по LOS A. baumannii ? Возможно нет. Восстановлена ​​ли вирулентность эволюционировавших штаммов, пока неясно.Даже эволюционировавшие штаммы могут быть легко очищены иммунной системой. Однако стоит отметить, что LOS-дефицитная Neisseria meningitidis была выделена из спинномозговой жидкости в клинике (22). По крайней мере, это богатое и защищенное иммунитетом место может поддерживать рост бактерий с резко измененным ОМ. Штаммы с дефицитом LOS, полученные из клинических источников, не следует сразу сбрасывать со счетов. Результаты Пауэрса и Трента (5) поучительны для оценки как транспорта PL в оболочке грамотрицательных клеток, так и адаптации бактерий к лечению антибиотиками.По мере того, как мы узнаем больше об обоих этих процессах, мы будем лучше подготовлены для разработки стратегий, направленных на борьбу с устойчивостью к антибиотикам.

Благодарности

Эта работа была поддержана институциональным финансированием стартапов из Университета Эмори.