Artificial water channels enable fast and selective water permeation through water-wire networks

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作者
Woochul Song,Himanshu Joshi,Ratul Chowdhury,Joseph S. Najem,Yue-xiao Shen,Chao Lang,Codey B. Henderson,Yuming Tu,Megan Farell,Megan Pitz,Costas D. Maranas,Paul S. Cremer,Robert J. Hickey,Stephen A. Sarles,Jun-Li Hou,Aleksei Aksimentiev,Manish Kumar
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 73-79 被引量:167
标识
DOI:10.1038/s41565-019-0586-8
摘要

Artificial water channels are synthetic molecules that aim to mimic the structural and functional features of biological water channels (aquaporins). Here we report on a cluster-forming organic nanoarchitecture, peptide-appended hybrid[4]arene (PAH[4]), as a new class of artificial water channels. Fluorescence experiments and simulations demonstrated that PAH[4]s can form, through lateral diffusion, clusters in lipid membranes that provide synergistic membrane-spanning paths for a rapid and selective water permeation through water-wire networks. Quantitative transport studies revealed that PAH[4]s can transport >109 water molecules per second per molecule, which is comparable to aquaporin water channels. The performance of these channels exceeds the upper bound limit of current desalination membranes by a factor of ~104, as illustrated by the water/NaCl permeability-selectivity trade-off curve. PAH[4]'s unique properties of a high water/solute permselectivity via cooperative water-wire formation could usher in an alternative design paradigm for permeable membrane materials in separations, energy production and barrier applications.
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