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Des membranes artificielles bio-inspirées pour filtrer l’eau…

 
Alors que l’accès à l’eau potable est considéré comme l’un des principaux enjeux du XXIe siècle, des scientifiques viennent d’ouvrir la voie à de nouveaux procédés de filtration. S’inspirant de protéines cellulaires, ils ont développé des membranes dotées de canaux artificiels asymétriques à l’intérieur desquels ils ont pu observer de l’eau «chirale»[[En chimie, un composé chimique est dit chiral s’il n’est pas superposable à son image dans un miroir, autrement dit s’il ne présente aucune symétrie intrinsèque.]], une propriété qui favorise les flux de matière indispensables à la filtration. Ces travaux, menés par des chercheurs CNRS de l’Institut européen des membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) et du Laboratoire CNRS de biochimie théorique, en collaboration avec des scientifiques américains, sont publiés dans Science Advances du 23 mars 2018

Désireux de mettre au point des technologies de rupture appliquées à la filtration et à la purification de l’eau, les chercheurs ont développé des membranes dotées de canaux artificiels inspirés des protéines constituant les pores des membranes biologiques : les aquaporines. Grâce à une technique spectroscopique innovante, ils ont pu observer que, dans l’espace très restreint de ces canaux, les molécules d’eau s’organisent de façon très régulière, en filet moléculaire orienté : l’eau est devenue «chirale».

Identifier de l’eau chirale dans les canaux artificiels de ces membranes lipidiques, dans des conditions physiologiques proches des pores naturels, était un tour de force. Cet agencement très régulier de molécules avait déjà pu être observé dans des structures à l’état solide de composés naturels ou artificiels, mais est difficilement observable en solution où les molécules d’eau sont très mobiles.

Cet arrangement «en filet» des molécules d’eau est expliqué par la polarité de la molécule d’eau conjuguée à l’asymétrie des canaux. L’eau, via des liaisons hydrogène, interagit avec les parois des canaux artificiels. Dans ces superstructures ainsi formées, les molécules composant les canaux transmettent leur caractère chiral aux fils d’eau, donnant ainsi une direction préférentielle aux molécules d’eau. D’où l’hypothèse des chercheurs qui s’ensuivit : cette orientation collective des molécules d’eau joue probablement un rôle important dans l’activation ou la sélection du transport à travers la membrane.

Et en effet, les expérimentations menées en laboratoire, étayées par les calculs de dynamique moléculaire, ont confirmé que ces arrangements chiraux présentent des propriétés de transfert supérieures à leurs équivalents achiraux, où l’eau présente un agencement moléculaire aléatoire. En d’autres termes, la chiralité de l’eau engendre une plus grande mobilité dans les nano-canaux, favorisant ainsi les transports de matière, avec un apport énergétique extérieur réduit.

Cette découverte ouvre un vaste champ d’application pour la filtration et la purification de l’eau. Actuellement, les chercheurs développent des membranes d’osmose inverse, couramment utilisées pour la désalinisation de l’eau de mer. Ils obtiennent déjà des résultats prometteurs en termes d’amélioration de la perméabilité et de la sélectivité des membranes, les deux critères incontournables de la filtration.

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Représentation schématique d’un filet de molécules d’eau orientées dans une seule direction au coeur d’un canal visible en transparence. Formé de dérivés d’histamines, ce canal chiral se constitue spontanément au sein de la bicouche phospholipidique (en gris) stabilisée en milieu aqueux (en bleu). Il génère une force motrice de transport pour l’eau.
 
Video montrant la dynamique moléculaire du transport d’eau au travers des canaux artificiels RHC8
 
Bibliographie
Oriented chiral water wires in artificial transmembrane channels. Istvan Kocsis, Mirco Sorci, Heather Vanselous, Samuel Murail, Stephanie E. Sanders, Erol Licsandru, Yves-Marie Legrand, Arie van der Lee, Marc Baaden, Poul B. Petersen, Georges Belfort, Mihail Barboiu (corresponding author). Science Advances, 23 mars 2018

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Artificial bio-inspired membranes for water filtration

From a desire to develop breakthrough technologies for water filtration and purification, researchers have developed membranes with artificial channels inspired by the proteins that form the pores in biological membranes: aquaporins. Using an innovative spectroscopic technique, they have been able to observe that, in the very restricted space in these channels, water molecules organize in a very regular manner, in an oriented molecular wire structure : the water has become “chiral.”

Identifying the chiral water in the artificial channels in these lipid membranes, under physiological conditions similar to natural pores, was a tour de force. This very regular arrangement of molecules had already been observed in solid structures of natural or artificial compounds, but is difficult to observe in solution, where the water molecules are very mobile.

This “wire” arrangement of water molecules is explained by the polarity of the water molecule conjugated with the asymmetry of the channels. Water, via hydrogen bonds, interacts with the walls of the artificial channels. In the resulting superstructures, the molecules forming the channels transmit their chiral character to the water threads, and give the water molecules a preferred direction. This led to the researchers’ hypothesis: this collective orientation of water molecules probably plays an important role in the activation or the selection of transport through the membrane.

And indeed, laboratory experiments, supported by molecular dynamics calculations, confirmed that these chiral arrangements present greater transfer properties than their non-chiral equivalents, where water presents random molecular arrangement. In other words, the water’s chirality causes greater mobility in nano-channels, boosting material transports, with a reduced exterior energy input.

This discovery opens a vast area of application for water filtration and purification. Currently, the researchers are developing reverse osmosis membranes, commonly used to desalinate sea water. They have already obtained promising results in terms of improved membrane permeability and selectivity, which are both indispensable criteria for filtration.

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Schematic representation of water molecules with a wire-like structure oriented in a single direction in the core of a channel. Formed from histamine derivatives, this chiral channel forms spontaneously within the phospholipid bilayer (in grey) stabilized in aqueous medium (in blue). It generates a driving force for water transport.
 
Video showing molecular dynamics of the water transport through articial channels RHC8
 
Bibliography
Oriented chiral water wires in artificial transmembrane channels. Istvan Kocsis, Mirco Sorci, Heather Vanselous, Samuel Murail, Stephanie E. Sanders, Erol Licsandru, Yves-Marie Legrand, Arie van der Lee, Marc Baaden, Poul B. Petersen, Georges Belfort, Mihail Barboiu (corresponding author). Science Advances, March 23, 2018.
 
Credit: CNRS
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[fr]Les Membranes font parler d’elles…[en]New membranes inspired by cellular proteins…
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