水通道蛋白仿生膜在脫鹽之應用：材料世界網

在多數細胞中，水分子可以透過簡單的滲透機制緩慢通過細胞膜之磷脂雙分子層(Phospholipid Bilayer)，但科學家卻發現在一些上皮細胞於滲透壓梯度存在時，其水分子之滲透性遠高於一般擴散現象。因此，水分子係透過特殊轉移機制跨越細胞膜的概念被提出，爾後更進一步衍生出特定的膜蛋白具有引導水分子傳輸之理論。直到1992年，Johns Hopkins University的Peter Agre發現了第一個水通道蛋白(Aquaporin-1; AQP1)，當時又稱CHIP 28，證實高水分子滲透性膜蛋白的存在，開始了AQP研究的新領域。此外，Peter Agre與Roderick MacKinnon更是共同榮獲了2003年的諾貝爾化學獎。

水通道蛋白(Aquaporin; AQP)，又稱水通道(Water Channel)，其於細胞膜上組成特殊的孔道，可控制水分子在細胞的進出，為專屬水分子跨越細胞膜的「快速通道」（圖一）。隨著分子工程和高解析分析技術的進展，對水通道蛋白的研究亦提供了分離膜材在水處理之應用上新的思路，透過水通道概念的導入，使得膜材可以在保留既有之脫鹽(Desalination)功能下，進一步獲得更為突出的產水量。因此，近年來水處理仿生膜(Biomimetic Membrane)的相關研究已逐漸開始興起。

水通道蛋白與水的滲透
目前，水通道蛋白之分子結構相關研究的原型通常來自於AQP1，係因AQP1的分子結構最為分明，它在細胞膜中主要以四聚體的形式存在（圖二），而在四個單體的中空部分皆具有獨立的水通道，每一個孔道的大小僅能容納一個水分子通過，直徑約3.8 Å。AQP1的單體結構是一條含有6個螺旋的單肽鏈，而這6個螺旋肽鏈荷則互相纏繞構成一個不等邊的四邊形，其中，水通道孔道的形成與2個貫通細胞膜的螺旋肽鏈有關，該螺旋則是由多種胺基酸之串連序列組成。

水通道蛋白的水分子分離選擇特性目前認為有三個主要的機制，以下以AQP1來說明（圖三）：①AQP1的中心通道呈啞鈴形狀，狹窄的部分對大多數孔徑較大的水合離子具有尺寸排除的作用；②進入水通道最狹窄的區域前，會經過一具電性選擇的篩選區域，該區域主要由精氨酸殘基所組成，對正電離子具有靜電排斥的作用；③在水通道的中點，存在兩個帶正電的偶極子，它會破壞氫鍵並阻礙質子通過，同時，偶極力會促進水分子重新排列，使其快速通過水通道。綜合而言，水分子在AQP通道中的快速轉運行為，則可以理解為水分子幾近是以「無摩擦」流(Frictionless Flow)的方式平滑地通過狹窄的疏水性通道。

圖三、水通道蛋白分離選擇機制

水通道蛋白仿生膜
水通道蛋白仿生膜必須能滿足連續操作和功能穩定的條件，才具有應用於實際水處理程序的價值，故理想的水通道蛋白仿生膜應該具有以下特色：①高度可滲透性；②高選擇性；③高機械穩定度，能夠承受應用所需的壓力；④高化學和生物穩定度；⑤合理的成本進行規模化。目前，針對AQP的導入方式，水通道蛋白仿生膜的結構設計主要可分為兩種：①雙分子層支撐承載法(Supported Membrane Layers; SML)：係以磷脂雙分子層或嵌段共聚物(Block Copolymer)作為AQP之載體，並形成一超薄之水通道層後，將其結合至高分子膜材上；②囊泡嵌入法(Vesicle Encapsulated Membranes; VEM)：將含有AQP的囊泡導入至高分子膜材製程，接著透過界面聚合(Interfacial Polymerization)等方式將其固定至膜材之選擇層中（圖四）。

圖四、(a)SML；(b)VEM兩種不同結構設計之AQP仿生膜