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Protein nanopore membranes prepared by a simple Langmuir-Schaefer approach
Schwieters, Magnus Stefan
Filtration through membranes with nanopores is typically associated with high transmembrane pressures and high energy consumption. This problem can be addressed by reducing the respective membrane thickness, and the present thesis describes a simple procedure to prepare ultrathin membranes based on protein nanopores. To form such membranes, the transmembrane protein ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA) or its open-pore variant are assembled at the air-water interface of a Langmuir trough, compressed to a dense film, crosslinked by glutaraldehyde, and transferred to various support materials. This approach allows to prepare monolayer or multilayer membranes with a very high density of protein nanopores aligned vertically to the membrane plane, as demonstrated by sum-frequency generation (SFG) spectroscopy. Freestanding membranes covering holes up to 7 µm in diameter are visualized by atomic force microscopy (AFM), helium ion microscopy (HIM), and transmission electron microscopy (TEM). AFM PeakForce quantitative nanomechanical property mapping (PeakForce QNM) demonstrates remarkable mechanical stability and elastic properties of freestanding monolayer membranes with a thickness of only 5 nm. Multilayer membranes significantly reject bovine serum albumin (BSA) molecules with a molecular size below 10 nm, and exhibit excellent water permeance, two orders of magnitude superior to comparable, industrially applied membranes. Furthermore, incorporation of either closed or open protein nanopores allows tailoring the membrane’s ion permeability. In addition, first attempts to similar membrane formation with nanopores based on tobacco mosaic virus (TMV) discs could be demonstrated. The new protein membrane could pave the way to energy-efficient nanofiltration.
Filtration durch Membranen mit Nanoporen ist typischerweise mit hohen Transmembrandrücken und hohem Energieverbrauch verbunden. Dieses Problem kann durch eine Verringerung der Membrandicke reduziert werden, jedoch stellt die Fertigung ultradünner Membranen mit einheitlichen Nanoporen eine technische Herausforderung dar. Vor diesem Hintergrund beschreibt die vorliegende Doktorarbeit ein einfaches Verfahren zur Herstellung ultradünner Membranen aus Protein-Nanoporen. Dazu wird das Transmembranprotein ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA) oder seine offenporige Variante an der Luft-Wasser-Grenzfläche eines Langmuir-Trogs gespreitet, zu einem dichten Film komprimiert, durch Glutaraldehyd vernetzt und auf verschiedene Trägermaterialien übertragen. Dieser Ansatz ermöglicht die Herstellung von Mono- oder Multilagen-Membranen mit einer sehr hohen Dichte von Proteinnanoporen, die vertikal zur Membranebene ausgerichtet sind, wie durch Sum-Frequency Generation (SFG) gezeigt wird. Freistehende Membranen, die Löcher mit einem Durchmesser von bis zu 7 µm bedecken, werden durch Rasterkraftmikroskopie (AFM), Heliumionenmikroskopie (HIM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) visualisiert. AFM PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PeakForce QNM) demonstriert bemerkenswerte mechanische Stabilität und elastische Eigenschaften von freistehenden Monolagen-Membranen mit einer Dicke von nur 5 nm. Multilagenmembranen halten Rinderserumalbumin (BSA)-Moleküle mit einer Molekülgröße unter 10 nm zurück und weisen eine ausgezeichnete Wasserpermeanz auf, die vergleichbaren, industriell eingesetzten Membranen um zwei Größenordnungen überlegen ist. Darüber hinaus ermöglicht der Verwendung von entweder geschlossenen oder offenen Proteinnanoporen es, die Ionenleitfähigkeit der Membranen zu modifizieren. Die neuen Proteinmembranen könnten den Weg zu energieeffizienter Nanofiltration ebnen.
