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2026

JMS｜水通道蛋白增强仿生纳滤膜的超快水传输与筛分机理

作者：

英文题目：

Superfast water transport and sieving mechanism of biomimetic nanofiltration membrane reinforced by aquaporin

水通道蛋白增强仿生纳滤膜的超快水传输与筛分机理

期刊信息： Journal of Membrane Science

发表时间：2026年8月12日在线发表

DOI:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2026.126035

摘要内容：

跨膜水通道蛋白（AQP）具有高渗透性和选择性，是制备仿生膜的理想材料，但其在膜中的生物活性和负载量一直是瓶颈。本研究通过基因工程在大肠杆菌细胞膜中表达AQP，利用含AQP的细胞膜开发了一种仿生纳滤（NF）膜，在保持AQP生物活性的同时显著提高了其负载量。该膜展现出*高的水渗透性（66.5 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹），对硫酸钠截留率达75.5%，对亮蓝R染料截留率高达99.8%，证实了AQP的*筛分能力。该膜不仅表现出典型负电荷纳滤膜的筛分行为，还充分利用了AQP专一性的水通道功能，为利用高渗透选择性跨膜蛋白构建高性能仿生膜提供了新思路。

研究背景和意义：面对日益严峻的水资源短缺与污染问题，膜分离技术因其*、低能耗的优势成为废水处理的重要替代方案，但传统聚合物膜普遍存在渗透性与选择性之间的“权衡效应”，难以同时实现高通量与高截留。近年来，蛋白质因其独特的结构与功能被广泛用于制备分离膜，其中水通道蛋白（AQP）每秒可传输30亿个水分子而完全排斥离子和其他溶质，展现出远超传统材料的潜力。然而，现有AQP仿生膜的制备通常需要将AQP嵌入磷脂或嵌段共聚物囊泡后再转移至多孔基底，不仅工艺复杂，且AQP与脂质的摩尔比 rarely 超过1:50，导致负载量低、生物活性难以维持，限制了膜的实际性能。为此，本研究提出了一种创新策略：直接利用基因工程改造后的大肠杆菌细胞膜作为膜材料，通过超声破碎获得含AQP的二维细胞膜纳米片，再经真空过滤构建仿生纳滤膜。这一方法大幅简化了制备流程，既为AQP提供了天然的细胞膜微环境以保障其生物活性，又通过细菌高密度表达显著提升了AQP的负载量，从而克服了传统方法的固有缺陷。

实验步骤：

首先，将pET-52b(+)-His-AQP质粒表达载体转化至大肠杆菌BL21(DE3)感受态细胞中（7 min冰浴、70 s热激、7 min冰浴），于含50 μg mL⁻¹氨苄青霉素的LB培养基中37°C培养1 h后涂板过夜；挑取单克隆于20 mL LB培养基（含50 μg mL⁻¹ Amp）中37°C培养12 h，随后转接至2 L TB培养基（含50 μg mL⁻¹ Amp）中扩增至OD₆₀₀为0.6–1.0，加入0.5 mM IPTG诱导AQP表达，37°C继续培养4 h。收集菌体后，在4°C或冰浴条件下通过超声破碎（100 W，10 min）裂解细胞，经离心纯化得到含AQP的细胞膜悬液，最终浓度为1.6 mg mL⁻¹。膜制备前，将细胞膜悬液用PBS缓冲液稀释至0.0064–0.0320 mg mL⁻¹系列浓度；以多巴胺与聚乙烯亚胺（PEI）共沉积法制备的带正电mPES（聚醚砜）微滤膜为基底，取50 mL细胞膜悬液在0.2–1.0 bar压力下真空过滤沉积于基底表面，随后用1.0 wt%戊二醛（GA）交联25 min，即得AQP仿生纳滤膜。其中，*优膜（命名为AQP-NF膜）的制备条件为：细胞膜负载量0.64 mg、施加压力0.5 bar、GA浓度1.0 wt%。

主要结果和结论：

表征结果显示，含AQP的细胞膜直径约1081 nm，厚度约5 nm（接近单层细胞膜），Zeta电位为-12.3 mV；SDS-PAGE证实AQP单体分子量为23 kDa，占膜蛋白总量的约4.6%。在*优条件下制备的AQP-NF膜具有致密无缺陷的表面，活性层厚度约450 nm。分离性能测试表明，该膜纯水渗透率高达66.5 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，较无AQP的对照膜提升约1.27倍；对无机盐的截留遵循Na₂SO₄ (75.5%) > MgSO₄ (45.7%) > NaCl (38.9%) > MgCl₂ (30.2%) 的顺序，呈现典型负电荷纳滤膜特征。对染料截留方面，亮蓝R（BBR，826 Da）截留率达99.8%，刚果红（CR，696 Da）达98.9%，而分子量较小的结晶紫（CV，408 Da）截留率仅55.3%，膜的截留分子量（MWCO）约为745 Da（PEG法）/625 Da（染料法）。长期运行测试显示，在72小时连续 cross-flow 过滤过程中，膜的水通量稳定在63.4 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，CR截留率维持在99.8%左右，结构稳定性良好。值得注意的是，戊二醛交联虽能通过致密化膜结构提高截留率，但会与蛋白质氨基发生席夫碱反应，导致AQP构象改变、活性降低，因此未来需开发更温和的AQP封装策略以进一步释放其性能潜力。

详细机理：

AQP-NF膜的分离机理可归结为“层间通道-狭缝孔-AQP水通道”的多级协同筛分机制。膜由含AQP的细胞膜在mPES基底上层层堆叠而成，水分子可通过三条路径跨膜传输：一是堆叠细胞膜之间形成的层间纳米通道，二是细胞膜交错排列形成的狭缝孔，三是AQP本身专一性的水通道（孔径约0.28 nm）。对于溶质，Na₂SO₄等无机盐可部分通过层间通道和狭缝孔，但受到AQP本征纳米通道（尺寸排斥）和膜表面负电荷（Donnan静电排斥）的双重阻碍，从而实现75.5%的截留；而亮蓝R等尺寸较大的染料分子（>2 nm）则完全无法通过膜孔，截留率近100%。XRD显示膜的层间距为1.09 nm，而有效孔径仅0.56 nm、孔径分布中心约0.17 nm，表明膜的本征筛分能力主要源于细胞膜自身的纳米通道与AQP的精密结构，而非层间间距。戊二醛交联通过席夫碱反应消耗蛋白质中的游离氨基，促使细胞膜致密堆叠、收缩本征纳米通道并减小层间距，从而提升膜的选择性，但过度交联会破坏AQP的三维构象，导致其水通道失活。因此，AQP-NF膜的高水通量源于AQP提供的额外低阻力水通道，而其高选择性则依赖于尺寸筛分与Donnan效应的协同作用，两者共同赋予了该膜突破传统权衡效应的分离性能。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/sVPRjiNq2IRjYHq29kkOQA