Protein nanopore membranes prepared by a simple Langmuir-Schaefer approach

Schwieters, Magnus Stefan

Protein nanopore membranes prepared by a simple Langmuir-Schaefer approach

dc.contributor.advisor	Böker, Alexander
dc.contributor.author	Schwieters, Magnus Stefan
dc.contributor.grantor	Technische Universität Berlin	en
dc.contributor.referee	Böker, Alexander
dc.contributor.referee	Auhl, Dietmar Werner
dc.date.accepted	2021-11-30
dc.date.accessioned	2021-12-30T14:55:33Z
dc.date.available	2021-12-30T14:55:33Z
dc.date.issued	2021
dc.description.abstract	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.	en
dc.description.abstract	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.	de
dc.identifier.uri	https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/13980
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12753
dc.language.iso	en	en
dc.rights.uri	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/	en
dc.subject.ddc	629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften	de
dc.subject.other	glutaraldehyde	en
dc.subject.other	ion permeability	en
dc.subject.other	Langmuir technique	en
dc.subject.other	transmembrane proteins	en
dc.subject.other	ultrathin membranes	en
dc.subject.other	water permeance	en
dc.subject.other	Glutaraldehyd	de
dc.subject.other	Ionenleitfähigkeit	de
dc.subject.other	Langmuir-Technik	de
dc.subject.other	Transmembranproteine	de
dc.subject.other	ultradünne Membranen	de
dc.subject.other	Wasserpermeanz	de
dc.title	Protein nanopore membranes prepared by a simple Langmuir-Schaefer approach	en
dc.title.translated	Ein einfacher Langmuir-Schäfer-Ansatz zur Herstellung von Protein-Nanoporen-Membranen	de
dc.type	Doctoral Thesis	en
dc.type.version	acceptedVersion	en
tub.accessrights.dnb	free	en
tub.affiliation	Fak. 3 Prozesswissenschaften::Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien::FG Polymertechnik und Polymerphysik	de
tub.affiliation.faculty	Fak. 3 Prozesswissenschaften	de
tub.affiliation.group	FG Polymertechnik und Polymerphysik	de
tub.affiliation.institute	Inst. Werkstoffwissenschaften und -technologien	de
tub.publisher.universityorinstitution	Technische Universität Berlin	en

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