(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩分濃度差電力またはエネルギーを生成するための圧遅延浸透におけるアクアポリン水チャネルを備える生体模倣膜の使用方法であって、前記アクアポリン水チャネルが、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれており、前記塩分濃度差電力またはエネルギーは、圧遅延浸透によって生じた圧力に基づいて生成される、使用方法。
【請求項２】
前記アクアポリンがアクアグリセロポリンである、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記アクアポリンが変異アクアポリン/アクアグリセロポリンである、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
アクアポリンが、1つの更なる多孔質膜材料で支持されている、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
脂質二分子層膜が、融合され堆積された脂質ベシクルの多重二分子層からなる、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
アクアポリンが、疎水性表面特性および複数の孔を有する膜フィルムを挟持する、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記膜フィルムがテフロン(登録商標)フィルムである、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記アクアポリンが植物由来である、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記植物由来のアクアポリンが、TIP、PIP、およびNIPアクアポリンならびにそれらの混合物およびハイブリッドから選択される、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも1つの脂質二分子層が、リン脂質またはホスホグリセリド、スフィンゴリピド、カルジオリピン、およびそれらの混合物からなる群から選択される両親媒性脂質から本質的になる、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記両親媒性脂質が、DPPCまたは他のリン脂質またはそれらの混合物である、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記ブロック共重合体が、2種類以上のブロック共重合体の混合物である、請求項1から4及び6から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ブロック共重合体がトリブロック共重合体である、請求項1から4及び6から9のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記トリブロック共重合体が、重合性末端基を有する両親媒性トリブロック共重合体である、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
天然生体膜および天然タンパク質環境を擬態するブロック共重合体マトリクスと、前記マトリクス中に組み込まれて膜/タンパク質複合体を形成するアクアポリンタンパク質類とを備える生体模倣膜の、圧遅延浸透（PRO）システムにおいて実施される、塩分濃度差電力またはエネルギーの生成における使用方法であって、前記塩分濃度差電力またはエネルギーは、圧遅延浸透によって生じた圧力に基づいて生成される、使用方法。
【請求項１６】
前記ブロック共重合体がトリブロック共重合体である、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
塩分濃度差電力またはエネルギーを生成する方法であって、前記塩分濃度差電力またはエネルギーは、圧遅延浸透によって生じた圧力に基づいて生成され、当該方法が、
1)第1の水溶液を少なくとも1つの第1の容器中に導く段階と、
2)第2の水溶液を少なくとも1つの第2の容器中に導く段階であって、
前記第1の水溶液は前記第2の水溶液よりも高濃度の塩化ナトリウムを有しており、前記少なくとも第1の容器および少なくとも第2の容器は、アクアポリン水チャネルを含む生体模倣膜を備える透水性壁により相互に分離されており、前記少なくとも1つの第2の容器から前記少なくとも第1の容器に水が移動して、前記少なくとも第2の容器に対して前記少なくとも1つの第1の容器中に正の静水圧が生じる段階と
3)前記静水圧をエネルギー源として利用する段階と
を含み、
前記アクアポリン水チャネルが、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、方法。
【請求項１８】
段階3中の利用が、前記少なくとも1つの第1の容器からタービンまたは同等の装置を経由して水を導くことで達成される、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
前記アクアポリンがアクアグリセロポリンである、請求項17又は18に記載の方法。
【請求項２０】
前記アクアポリンが変異アクアポリン/アクアグリセロポリンである、請求項17又は18に記載の方法。
【請求項２１】
アクアポリンが、1つの更なる多孔質膜材料で支持されている、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項17から20のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
脂質二分子層膜が、融合され堆積された脂質ベシクルの多重二分子層からなる、請求項17から21のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
アクアポリンが、疎水性表面特性および複数の孔を有する膜フィルムを挟持する、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項17から22のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記膜フィルムがテフロン(登録商標)フィルムである、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記アクアポリンが植物由来である、請求項17から24のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記植物由来のアクアポリンが、TIP、PIP、およびNIPアクアポリンならびにそれらの混合物およびハイブリッドから選択される、請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも1つの脂質二分子層が、リン脂質またはホスホグリセリド、スフィンゴリピド、カルジオリピン、およびそれらの混合物からなる群から選択される両親媒性脂質から本質的になる、請求項17から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記両親媒性脂質が、DPPCまたは他のリン脂質またはそれらの混合物である、請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記ブロック共重合体が、2種類以上のブロック共重合体の混合物である、請求項17から21及び23から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ブロック共重合体がトリブロック共重合体である、請求項17から21及び23から26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記トリブロック共重合体が、重合性末端基を有する両親媒性トリブロック共重合体で
ある、請求項30に記載の方法。
【請求項３２】
塩分濃度差電力またはエネルギーを生成するための装置であって、前記塩分濃度差電力またはエネルギーは、圧遅延浸透によって生じた圧力に基づいて生成され、前記装置は、
アクアポリン水チャネルを含む生体模倣膜により分離されている、少なくとも1つの第1の貯水容器および少なくとも1つの第2の貯水容器と、
前記少なくとも2つの貯水容器間の静水圧の差によりエネルギーを引き出す少なくとも1つの手段と
を備え、
前記アクアポリン水チャネルが、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、装置。
【請求項３３】
エネルギーを引き出す前記手段がタービンである、請求項32に記載の装置。
【請求項３４】
前記少なくとも1つの第1の貯水容器および少なくとも第2の貯水容器への別々の注水口を含み、前記少なくとも1つの第1の貯水容器への前記注入口が、前記少なくとも1つの第2の貯水容器への前記注入口より高濃度の塩化ナトリウムを有する水を供給する、請求項32または33に記載の装置。
【請求項３５】
前記少なくとも1つの第1の貯水容器が、前記少なくとも1つの第2の貯水容器から前記膜を介して通過してくる水を収容できるような大きさである、請求項32から34のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記少なくとも1つの第1の貯水容器への前記注入口が、前記少なくとも1つの第1の貯水容器へ海水を供給する、請求項34または35に記載の装置。
【請求項３７】
前記アクアポリンがアクアグリセロポリンである、請求項32から36のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記アクアポリンが変異アクアポリン/アクアグリセロポリンである、請求項32から36のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３９】
アクアポリンが、1つの更なる多孔質膜材料で支持されている、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項32から38のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４０】
脂質二分子層膜が、融合され堆積された脂質ベシクルの多重二分子層からなる、請求項32から39のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４１】
アクアポリンが、疎水性表面特性および複数の孔を有する膜フィルムを挟持する、脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜中に組み込まれている、請求項32から40のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記膜フィルムがテフロン(登録商標)フィルムである、請求項41に記載の装置。
【請求項４３】
前記アクアポリンが植物由来である、請求項32から42のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４４】
前記植物由来のアクアポリンが、TIP、PIP、およびNIPアクアポリンならびにそれらの混合物およびハイブリッドから選択される、請求項43に記載の装置。
【請求項４５】
前記少なくとも1つの脂質二分子層が、リン脂質またはホスホグリセリド、スフィンゴリピド、カルジオリピン、およびそれらの混合物からなる群から選択される両親媒性脂質から本質的になる、請求項32から44のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４６】
前記両親媒性脂質が、DPPCまたは他のリン脂質またはそれらの混合物である、請求項45に記載の装置。
【請求項４７】
前記ブロック共重合体が、2種類以上のブロック共重合体の混合物である、請求項32から39及び41から44のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４８】
前記ブロック共重合体がトリブロック共重合体である、請求項32から39及び41から44のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４９】
前記トリブロック共重合体が、重合性末端基を有する両親媒性トリブロック共重合体で
ある、請求項48に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能性アクアポリンチャネルまたはアクアポリンチャネルの四量体を備え、膜の一方の側から他方の側へ水を輸送するのに適し、浸透圧勾配により駆動される、新規な生体模倣水性膜に関する。塩分濃度差電力の生成において、圧遅延浸透が使用される。
【０００２】
これにより、自然の原理を使用して、純粋で環境に優しいエネルギーを生成する。
【背景技術】
【０００３】
塩を含む水が淡水中で希釈されるときに、潜在的に大きなエネルギーを引き出すことができる。塩分濃度差電力は、天候や風に依存していない安定したエネルギーである。これは再生可能であり、環境に対する既知の重大な影響を一切生じない。
【０００４】
塩分濃度差電力の原理は圧遅延浸透(PRO)と呼ばれており、塩水が淡水と混合する際に放出され得るエネルギーを利用することを意味する。これは、各チャンバーを膜の別個の容器に置くことで生じる。膜は淡水を通過させるが、塩水は通過させない。図1参照。次いで、淡水は他の側まで通過して流れ、この流れのエネルギーはタービンを用いて汲み上げることができる。塩の希釈に対する自然の要求は非常に大きく、27bar、換言すれば、給水栓の5〜6倍の圧力または淡水が260メートル落下するのに相当する。この力が、淡水と塩水の間のいわゆる浸透圧である。
【０００５】
塩分濃度差電力は、まだ利用されていない再生可能エネルギーのうちで最大の供給源の1つである。利用可能な可能性は、世界中で毎年2000TWhであると推定される。この資源を完全に利用するには、まだかなりの技術開発が必要である。したがって、この供給源からのエネルギーの潜在的なコストは最も伝統的な水力発電よりは依然高いが、本格規模のプラントで既に生成されている他の形の再生可能エネルギーの他の形式のものと匹敵し得るものである。
【０００６】
塩分濃度差電力の生成には膜の汚れおよび流れの能力が重要であり、今日、それぞれ一方の側の海水と他方の側の淡水の2つのチャンバーをそれぞれ分離する水性膜が、塩分濃度差電力の生成における可能性を利用する際の律速段階である。
【０００７】
アクアポリン水輸送タンパク質が生体膜を通過して選択的にH2O分子を輸送する能力において際立っていることが発見されて以来、これらのタンパク質を組み込んだ人工水性膜を考案することに対する特定の関心が存在してきた。水を精製できるように膜中に如何にして水輸送タンパク質が埋め込まれているかを記載することを目的とする、米国特許出願公開第2004/0049230号「Biomimetic membranes」を参照されたい。記載される好ましい形態は、従来のフィルターディスクの形態を有する。そのようなディスクを製作するために、ラングミュア-ブロジェット槽を使用し、合成トリブロック共重合体およびタンパク質の5nm厚の単分子層を25mmの商業的に入手可能な限外濾過ディスクの表面に堆積する。次いで、重合体に対して紫外線を使用し、ディスク上の単分子層を架橋し、耐久性を増加する。
【０００８】
脂質二分子層ベシクル中でアクアポリンタンパク質を発現させ、これらの膜を多孔質支持体上に製膜することで浄水技術を造り出せ得ることが示唆されてきた。James R. Swartz、ホームページ、http://chemeng.stanford.edu/01About_the_Department/03Faculty/Swartz/swartz.htmlを参照。
更に、本譲受人は、機能性アクアポリン水チャネルを備える少なくとも1つの脂質二分子層により分離された少なくとも2つの透水性支持体層を有するか、または穿孔された疎水性支持体層を囲む脂質二分子層を有するサンドイッチ構造中にアクアポリンを備える国際特許出願を先に提出した。デンマーク国特許出願第PA 2005 00740号および米国仮特許出願第60/683,466号の優先権を主張する国際特許出願第PCT/DK2006/000278号を参照。国際特許出願第PCT/DK2006/000278号に開示される膜を備える水チャネルは引用により本明細書に組み込まれ、本発明での使用において最も有望な水性膜と見なされ、したがって、国際特許出願第PCT/DK2006/000278号における水性膜およびそれらの調製に関する全ての開示は、本発明の重要な実施形態と見なされる。
人工膜中のアクアポリンを使用する先に開示された全ての出願は、精製された水を提供することを目標としてきた。本発明は、天然の水輸送チャネルであるアクアポリンの使用範囲を、継続可能なエネルギーの解決策の分野中にまで広げるものである。本発明は、圧遅延浸透を利用し、塩分濃度差電力を生成するために機能性アクアポリンチャネルを備える生体模倣膜を使用することを目的とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第2004/0049230号
【特許文献２】デンマーク国特許出願第PA 2005 00740号
【特許文献３】米国仮特許出願第60/683,466号
【特許文献４】国際特許出願第PCT/DK2006/000278号
【特許文献５】国際公開第WO 02/13955号パンフレット
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】James R. Swartz、ホームページ、http://chemeng.stanford.edu/01About_the_Department/03Faculty/Swartz/swartz.html
【非特許文献２】Danielle Keller著「Supported bilayers as models of biological membranes」、2005年2月、41〜45頁、序章〜第4章、MEMPHYS-center for biomembrane physics、Physics Department、University of Southern Denmark and Dansih Polymer Centre、Riso National Laboratory、Denmark
【非特許文献３】R.M. Webber、J.L. Anderson、M.S. John著、Macromolecules誌、第23巻(1990年刊)、1026〜1034頁
【非特許文献４】Pohl, P.、Saparov, S.M.、Borgnia, M.J.、およびAgre, P.著、(2001年)、Proceedings of the National Academy of Sciences誌、第98巻、9624〜9629頁
【非特許文献５】HeymannおよびEngel著、News Physiol. Sci.誌(1999年刊)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
1つの態様において、本発明は、圧遅延浸透(PRO)で使用されるアクアポリンを備える生体模倣膜に関し、他の態様において、本発明は、塩分濃度差電力の生成に使用されるPROシステム中での前記膜の実施に関する。
【００１２】
アクアポリン水輸送タンパク質を備える生体模倣水性膜は、複数の異なる手法により製造できる。
【００１３】
本発明は、塩分濃度差電力の生成に使用されるアクアポリンを備える任意の生体模倣水性膜に関する。
本発明の利点は、水を輸送し木の最上部に汲み上げる自然自体のシステムを使用することを含む。アクアポリンは、駆動力として浸透圧を利用し、水を輸送するために自然が設計した分子である。これが、本発明において、環境に優しいエネルギーを生成するために開発されることである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】圧遅延浸透の背景にある原理を記述する図である。2つのチャンバーは海水および淡水でそれぞれ満たされており、透水性膜で分離されている。浸透圧勾配により淡水の海水チャンバー中への流れが生じ、圧力が発生し、エネルギーを生成するために使用できる。
【図２】アクアポリンを備える生体模倣膜の設計を記述する図である。図は、本発明による水性膜のサンドイッチ構造をした例における組み込まれたアクアポリン分子を有し支持脂質二分子層またはブロック共重合体を有する本発明の1つの実施形態による膜の各種の成分を示す。
【図３】アクアポリンを備える生体模倣膜の設計を記述する図である。図は、多孔質で、固形で、化学的に不活性なテトラフルオロエチレンの重合体、例えば多孔質テフロン(登録商標)フィルムから作製されたフィルムを挟持する、組み込まれたアクアポリン分子を備えた支持脂質二分子層またはブロック共重合体を有する本発明の他の実施形態による膜の各種の成分を示す。
【図４】アクアポリンおよびアクアグリセロポリングループのタンパク質のメンバーの模式図である。
【図５】PROシステムの例である。図は、この場合、淡水および海水が分離された水性フィルターに供給された後、機能性アクアポリンチャネルを備える生体模倣水性膜である準透過性膜の各側上を互いに流れが通過するPRO設備を示す。次いで、透過物と圧が上昇した透過物と塩水の混合物の一部は、電力を発生するためのタービンに行く。透過物流の残りは、流入する海水が加圧され膜モジュールに供給される圧交換器に行く。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
塩分濃度差電力の原理は1970年代にアメリカ系イスラエル研究者によって発明されたが、海水と淡水の間の浸透圧勾配に蓄えられる潜在的なエネルギーを利用するに十分良好な膜技術を開発することは、これまで成されていなかった。機能性アクアポリンチャネルを備える生体模倣水性膜は、解決策となる可能性がある。
【００１６】
この文脈において、「水性膜」は、水を通過させるが同時に殆どの他の材料および物質は通過させない構造を意味する。本発明で使用される好ましい水性膜は、本質的に水のみ(および場合によってはグリセロール)を透過できるが、媒質および他の溶媒は通過させない。
【００１７】
（アクアポリン）
生細胞は、その細胞を他の細胞および細胞外の媒体から分離する脂質二分子層膜によって囲まれている。脂質二分子層膜は、水、イオンおよび他の極性分子を本質的に通さないが、それでも、多くの例において、しばしば細胞外および細胞内のシグナルに応答して、迅速および選択的に膜を通過して輸送される必要がある。水を輸送する作業は、アクアポリン水チャネルタンパク質によって達成される(Prestonら、1992)。アクアポリンは如何なる形態においても生命にとって重要であり、細菌から植物を経てヒトに至るまで全ての生命体で見出される。アクアポリンは迅速で非常に選択的な水の輸送を容易にし、よって細胞膜内外の静水および/または浸透圧の差に従って、細胞がその体積および内部浸透圧を制御することを可能にする。ヒトにおけるアクアポリンの生理的重要性は、おそらく、毎日、原尿から150〜200リットル程度の水を再吸収しなければならない腎臓で最も顕著であり、すなわち、体液から水を迅速に回収しなければならない場合に、アクアポリンによって促進される水の輸送が引き起こされる。腎臓において、このことは、AQP1およびAQP2(11種のアクアポリンがヒトで知られている)と表される2つのアクアポリンによって主に可能とされる。植物においても、アクアポリンは根における水の吸収および植物全体の水バランスの維持に重要である(Agreら、1998、Borgniaら、1999)。植物においては、塩分濃度差電力の生成においてPROシステムで本発明が使用を意図しているのと同じ浸透力によって水が吸収される。
【００１８】
種々の生命体および組織における水の輸送の研究により、1つのチャネルで毎秒109程度のH2O分子という極めて高い透水速度を維持しながら、大きな分子、イオン(塩)ならびにプロトン(H30+)およびヒドロキシルイオン(OH-)いずれの流れも防げる狭い孔をアクアポリンが有していることが示唆された(Agreら、1998、Borgniaら、1999)。2000年および2001年にAQP1および関連するグリセロール透過性の細菌チャネルタンパク質であるアクアグリセロポリンGlpFの最初の高解像度3次元構造が報告される(Fuら、2000; Murataら、2000; Renら、2001; Suiら、2001)までは、水の選択性の起源について殆ど分かっていなかった。
【００１９】
しかしながら、実験的構造体に基づき、詳細なコンピューターモデルが提案され、高い透過速度および厳密な水の選択性のみならずプロトンの漏出を防ぐアクアポリンの能力についても説明がなされた(de GrootおよびGrubmuller、2001; Tajkhorshidら、2002、Jensenら、2003、Zhuら、2003、de Grootら、2003、BurykinおよびWarshel、2003、Ilanら、2004、Chakrabartiら、2004)。本質的には、チャネル内部の静電的なチューニングにより任意の荷電種に対するアクアポリンの選択性が制御される、つまり任意の塩(イオン)ならびにプロトンおよびヒドロキシルイオンの輸送がなされないが、アクアポリンチャネルの構造により水分子は一列のみに並んで通過する(de GrootおよびGrubmuller、2001; Tajkhorshidら、2002、Jensenら、2003、Zhuら、2003、de Grootら、2003、BurykinおよびWarshel、2003、Ilanら、2004、Chakrabartiら、2004)。要するに、これは水分子のみがアクアポリンの水孔を通過し、他は何も通過しないことを意味する。
【００２０】
アクアポリンチャネル中の各ユニットは約109個のH2O分子/秒、すなわち約4×109個の分子/チャンネル/秒を輸送する。それゆえ、1gのアクアポリンは、非常に高圧において約720リットルの水/秒を輸送できる。
【００２１】
本明細書で用いられる用語「アクアポリンファミリーの膜タンパク質」は、水分子に加えてグリセロールも透過させるGLpFタンパク質も含む。
【００２２】
1つの態様において、本発明は、圧遅延浸透で使用されるアクアポリンを備える生体模倣膜に関し、他の態様において、本発明は、塩分濃度差電力の生成で使用されるPROシステム中での前記膜の実施に関する。
【００２３】
アクアポリン水輸送タンパク質を備える生体模倣水性膜は、複数の異なる手法を用いて製造できる。種々の方法が、先に記載した特許出願に記載されてきた。
【００２４】
（脂質二分子層膜の使用に関する態様）
以下に、ラングミュア-ブロジェット法などの方法を用いて、アクアポリンを脂質ベシクルで再構成し、支持脂質二分子層膜に変換して、水を濾過する膜を形成する手順を記載する。
【００２５】
膜材料の本来の透過性は、確保しなければならない。透過性の低い材料が好ましいであろうが、同時に、全体として安定で高密な2次元フィルタリングアレイを構築するために堅牢でアクアポリンを組み込めるものでなければならない。種々の手法が、支持された二分子層を調製するために一般的に用いられる。簡単な技術は、ラングミュア-ブロジェット法である。適切な有機溶媒の中の脂質の溶液をラングミュア槽中の水性補助相上に展開し、有機溶媒を蒸発させる。所望の表面圧まで横方向に脂質フィルムを圧縮するために、一対の可動式の柵を使用する。次いで、垂直にフィルムに基体を通し、それにより1分子厚の脂質層(単分子層)分子を基体上に移し取る。もう一度、フィルムに基体を通し、第2の単分子層を移し取ることができる。垂直(ラングミュア-ブロジェット)堆積法により、合計3つの単分子層を移し取るが、最後の層のために4番目の層は、水平堆積、いわゆるラングミュア-シェーファー(LS)堆積を用いて移し取ることができる。その方法は、種々の脂質で使用できる。天然の生体膜は、しばしば非対称である。LBおよびLSの両者は、非対称二分子層を調製する可能性を提供する。これは、堆積間に補助相上の脂質フィルムを交換することで行われる。
【００２６】
支持された二分子層を調製するもう1つの方法は、ベシクル融合法である(BrianおよびMcConnell、1984)。小さな一枚膜ベシクル(SUV)の溶液を、親水化されたシリコンまたは新たに砕かれたマイカの小片表面上に塗布する。この試料を低温(4℃)に放置すると、ベシクルが表面と融合し、連続した二分子層を形成する。如何なる理論に縛られることなく、最初にベシクルが基体の表面に吸着し、次いで融合して平坦でパンケーキ状の構造を形成し、最終的に破裂および飛散し、結果として表面上で単一の二分子層となると仮定されてきた(ReviakineおよびBrisson、2000)。また、基体との融合後、基体と直接接触している部分のベシクルのみが支持された二分子層になることも示唆されてきた(Leonenkoら、2000)。この機構では、ベシクルは曲率が最も高い端部において破裂し、次いで、二分子層の最上部が基体の表面に移動し、形成され支持された二分子層の大きさを増加させることができる。二分子層は基体に溶液を塗布した後の数分以内に形成されると報告されてきたが(Tokumasuら、2003)、この短いインキュベート時間では不完全な二分子層の結果となる場合がある。数時間または一晩インキュベートすることも報告されてきた(Reimhultら、2003、Riniaら、2000)。
【００２７】
支持された二分子層を調製するのに用いることができる第3の技術は、スピン-コーティングである(Reimhultら、2003、SimonsenおよびBagatolli、2004)。スピン-コーティングでは、脂質を適切な溶媒に溶解し、溶滴を基体上に置き、次いで溶媒を蒸発させ脂質のコーティングを生成しながら基体を回転させる。脂質溶液の濃度に依存して、スピン-コートされたフィルムは1つまたは複数の脂質二分子層からなる。しかしながら、水和の際に多重層は不安定であることが示されており、通常、1つの支持された二分子層のみが表面上に残る。この手法は容易で迅速であり、転移温度が中程度(DPPC)および非常に高い(セラミド)脂質のみならず低融点の脂質(POPC)でも行われてきた。有用な脂質として、例えば、リン脂質および両親媒性脂質が挙げられる。
【００２８】
ペプチドおよびタンパク質を支持された二分子層に組み込みたい場合、述べられた他の手法ではタンパク質またはペプチドを有機溶媒に溶解することを含むため、ベシクル融合の技術が最も適用できる。特に膜のいずれかの側で水溶液に曝される大きなドメインを含んでいる場合、多くの膜タンパク質は有機溶媒中で変性することがある。したがって、ペプチドまたはタンパク質をベシクルに挿入することが好ましい。ベシクルの形成に先立ち、アクアポリンなどの多くのペプチドおよびタンパク質を有機溶媒中で脂質と共に共可溶化でき、次いで、ペプチドを含むベシクルを基体に塗布する。これは数多くのペプチド、例えば、WALP(Riniaら、2000)、グラミシジン(Mouら、1996)、clavanin A(van Kanら、2003)およびアミロイドβタンパク質(Linら、2001)で行われている。アクアポリンなどの膜タンパク質は、他の手段でベシクルに挿入することが好ましい。これは、本明細書に組み込まれる論文であるDanielle Keller著「Supported bilayers as models of biological membranes」、2005年2月、MEMPHYS-center for biomembrane physics、Physics Department、University of Southern Denmark and Dansih Polymer Centre、Riso National Laboratory、Denmarkの41〜45頁の序章から第4章中のモデルタンパク質であるチトクロームcオキシダーゼに関する記述のようにして、ベシクル中に膜タンパク質を再構成するための方策を用いて行うことができる。
【００２９】
個々の2次元アレイを多重層に積層することが可能であり、好ましい場合がある。積層したアレイの最終的な大きさは、全体的な堅牢さと、選択された膜材料/膜組成に固有の透過性とに依存する。積層は、1つのおそらく支持されている脂質二分子層にタンパク質が明らかに埋め込まれている系から始めてもよい。次いで、適切なアクアポリンと共に必須なベシクルが再構成した場合、支持された二分子層上において引き続き一連して起こるベシクルの崩壊により多重層フィルタリング単位装置が提供され得る。積層された単位装置を安定させている膜または安定させている重合体マトリクスへ組み込み、これらの個々の単位を引き続いて繋ぎ合わせると、最終的に自己集合プロセスによりフィルタリングメッシュが得られる。
【００３０】
表1は、本発明の水性膜で使用される脂質二分子層の形成に有用な脂質のリストである。
【００３１】
アクアポリンの再構成および脂質二分子層の形成に有用な脂質は、POPC、DPPC、セラミドおよびそれらの混合物である。表1参照。
【００３２】
表1
ホスファチジルコリン:
1,2-ジミリストイルホスファチジルコリン(DMPC)
1,2-ジパルミトイルホスファチジルコリン(DPPC)
1,2-ジステアロイルホスファチジルコリン(DSPC)
1,2-ジオレオイルホスファチジルコリン(DOPC)
1,2-ジミリストレオイルホスファチジルコリン
1,2-ジパルミトレオイルホスファチジルコリン
1,2-ジペトロセリノイルホスファチジルコリン
1,2-ジエライドイルホスファチジルコリン
1,2-ジリノレオイルホスファチジルコリン
1,2-ジリノレノイルホスファチジルコリン
1,2-ジエイコセノイルホスファチジルコリン
1,2-ジアラキドノイルホスファチジルコリン
1,2-ジエルコイルホスファチジルコリン
1,2-ジネルボノイルホスファチジルコリン
1-パルミトイル-2-オレオイルホスファチジルコリン(POPC)
1-パルミトイル-2-リノレオイルホスファチジルコリン
1-パルミトイル-2-アラキドノイルホスファチジルコリン
1-パルミトイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルコリン
1-ステアロイル-2-オレオイルホスファチジルコリン(SOPC)
1-ステアロイル-2-リノレオイルホスファチジルコリン
1-ステアロイル-2-アラキドノイルホスファチジルコリン
1-ステアロイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルコリン
1-オレオイル-2-パルミトイルホスファチジルコリン
1-オレオイル-2-ステアロイルホスファチジルコリン
1,2-ジドコサヘキサエノイルホスファチジルコリン
ホスファチジルエタノールアミン:
1,2-ジミリストイルホスファチジルエタノールアミン(DMPE)
1,2-ジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン(DPPE)
1,2-ジステアロイルホスファチジルエタノールアミン(DSPE)
1,2-ジオレオイルホスファチジルエタノールアミン(DOPE)
1-パルミトイル-2-オレオイルホスファチジルエタノールアミン(POPE)
1-パルミトイル-2-リノレオイルホスファチジルエタノールアミン
1-パルミトイル-2-アラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
1-パルミトイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルエタノールアミン
1-ステアロイル-2-オレオイルホスファチジルエタノールアミン(SOPE)
1-ステアロイル-2-リノレオイルホスファチジルエタノールアミン
1-ステアロイル-2-アラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
1-ステアロイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジエライドイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジリノレオイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジリノレノイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジアラキドノイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジドコサヘキサエノイルホスファチジルエタノールアミン
1,2-ジパルミトレオイルホスファチジルエタノールアミン
ホスファチジルグリセロール:
1,2-ジミリストイルホスファチジルグリセロール(DMPG)
1,2-ジパルミトイルホスファチジルグリセロール(DPPG)
1,2-ジステアロイルホスファチジルグリセロール(DSPG)
1,2-ジオレオイルホスファチジルグリセロール(DOPG)
1-パルミトイル-2-オレオイルホスファチジルグリセロール(POPG)
1-パルミトイル-2-リノレオイルホスファチジルグリセロール
1-パルミトイル-2-アラキドノイルホスファチジルグリセロール
1-パルミトイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルグリセロール
1-ステアロイル-2-オレオイルホスファチジルグリセロール(SOPG)
1-ステアロイル-2-リノレオイルホスファチジルグリセロール
1-ステアロイル-2-アラキドノイルホスファチジルグリセロール
1-ステアロイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルグリセロール
ホスファチジルセリン:
1-パルミトイル-2-オレオイルホスファチジルセリン(POPS)
1-パルミトイル-2-リノレオイルホスファチジルセリン
1-パルミトイル-2-アラキドノイルホスファチジルセリン
1-パルミトイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルセリン
1-ステアロイル-2-オレオイルホスファチジルセリン(SOPS)
1-ステアロイル-2-リノレオイルホスファチジルセリン
1-ステアロイル-2-アラキドノイルホスファチジルセリン
1-ステアロイル-2-ドコサヘキサエノイルホスファチジルセリン
1,2-ジミリストイルホスファチジルセリン(DMPS)
1,2-ジパルミトイルホスファチジルセリン(DPPS)
1,2-ジステアロイルホスファチジルセリン(DSPS)
1,2-ジオレオイルホスファチジルセリン(DOPS)
1,2-ジドコサヘキサエノイルホスファチジルセリン
1,2-ジエルコイルホスファチジルセリン
特殊な脂質:
カルジオリピン
双極性脂質
重合性脂質:
1,2-ジ-10,12-トリコサジイノイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(DTPC)
1,2-ジ-10,12-トリコサジイノイル-sn-グリセロ-3-ホスホエタノールアミン(DTPE)
1-パルミトイル-2,10,12-トリコサジイノイル-sn-グリセロ-3-ホスホエタノールアミン(PTPE)
(DC8,9PC[1,2-ビス(10,12-トリコサジイノイル)-sn-グリセロ-3-ホスホコリン]
diPhyPC[1,2-ジフィタノイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン]
天然脂質抽出物:
卵黄ホスファチジルコリン
ウシ心臓ホスファチジルコリン
脳ホスファチジルコリン
ウシ肝臓ホスファチジルコリン
大豆ホスファチジルコリン
大腸菌ホスファチジルエタノールアミン
ウシ心臓ホスファチジルエタノールアミン
脳ホスファチジルエタノールアミン
ウシ肝臓ホスファチジルエタノールアミン
卵ホスファチジルエタノールアミン
ウシ肝臓ホスファチジルイノシトール
大豆ホスファチジルイノシトール
脳ホスファチジルセリン
大豆ホスファチジルセリン
【００３３】
（ブロック共重合体膜を利用する態様）
以下に、アクアポリンが天然環境を擬態するブロック共重合体膜中に組み込まれる手順を記載する:
【００３４】
ブロック共重合体系の膜と共に使用の好ましい生体適合性膜を形成する1つの方法は、以下の通りである。
【００３５】
溶媒中のブロック共重合体の溶液を形成する(BC溶液)。溶液は、2種類以上のブロック共重合体の混合物とであってよい。溶液は、好ましくは1〜90%w/vより好ましくは2〜20%、または更に好ましくは5〜10%、例えば7%の共重合体を含む。
【００３６】
好ましくは、1.0〜50.0mg/mL、より好ましくは1.0〜10.0mg/mLの好ましいアクアポリンを加えて、調製したBC溶液中のアクアポリン溶液を調製する。
【００３７】
少容量(例えば、4マイクロリットル)のアクアポリン/BC溶液を各開口または各開口サブセット一部上に滴下し、乾燥させて、溶媒を除去する。
【００３８】
全ての開口を覆うために、必要であればこの段階を繰り返す。
【００３９】
そのプロセスで使用される水性成分およびブロック共重合体のB成分の両者と混和できるように、溶媒を選択する。適切な溶媒として、メタノール、エタノール、2-プロパノール、1-プロパノール、テトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、混合物が適切な混和性を有する限りでジクロロメタンなどのより無極性の溶媒を含むことができる溶媒混合物などが挙げられると考えられる。(過酸化物などのタンパク質を破壊する混入物質を形成する任意の傾向をも有する溶媒成分を、適切に精製および取り扱うことができる。)溶媒は典型的には10%v/v以上好ましくは20%以上、有効には30%以上の適用されたアクアポリン/BC溶液を含む。
【００４０】
ブロック共重合体の存在下で非水性溶媒を含む溶液にアクアポリンを導入する上記の方法は、活性なアクアポリンの機能を安定させる働きがある。非水性成分は、全ての溶媒を含むことができる。
【００４１】
ブロック共重合体の混合物は、以下のクラスのうちの2つ以上の混合物とすることができ、別の成分とは同じに分類できるが、異なる重合体ブロック分布を有している。
【００４２】
ポリ(エチレン)(E)およびポリ(エチレンプロピレン)(EP)トリブロック両性共重合体のうち、重合体原料トリブロック共重合体E/EP/E。(N,N-ジメチルアミノ)イソプレンの中でも、そのような重合体は、Ai14S63A23、Ai31S23A46、Ai42S23A35、スチレン、およびメタクリル酸Ai56S23A21、Ai57S11A32である。
【００４３】
スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン(KRATON) G 1650、29%スチレン、8000溶液トリブロック共重合体粘度(25重量%の重合体)、100%トリブロックスチレン-エチレン/ブチレン-スチレン(S-EB-S)ブロック共重合体; (KRATON) G 1652、29%スチレン、1350溶液粘度(25重量%の重合体)、100%トリブロックS-EB-Sブロック共重合体; (KRATON) G 1657、4200溶液粘度(25重量%の重合体)、35%ジブロックS-EB-Sブロック共重合体; 全てShell Chemical社より入手可能。そのようなブロック共重合体として、スチレン-エチレン/プロピレン(S-EP)型および商用名(KRATON) G 1726、28%スチレン、200溶液粘度(25重量%の重合体)、70%ジブロックS-EB-Sブロック共重合体; (KRATON) G-1701X、37%スチレン、50,000より高い溶液粘度、100%ジブロックS-EPブロック共重合体; および(KRATON) G-1702X、28%スチレン、50,000より高い溶液粘度、100%ジブロックS-EPブロック共重合体で入手可能なものが挙げられる。
【００４４】
シロキサントリブロック共重合体PDMS-b-PCPMS-b-PDMS(PDMSはポリジメチルシロキサン、PCPMSはポリ(3-シアノプロピルメチルシロキサン)は、リチウムシラノレート末端封止型PCPMS高分子開始剤により開始され速度論的に制御されるヘキサメチルシクロトリシロキサンの重合により調製できる。高分子開始剤は、3-シアノプロピルメチルシクロシロキサン(DxCN)およびジリチウムジフェニルシランジオレート(DLDPS)の混合物を平衡させることで調製できる。DxCNは3-シアノプロピルメチルジクロロシランを加水分解し、続いて結果として生じる加水分解物を環化および平衡させて合成できる。DLDPSは、ジフェニルメチルリチウムによりジフェニルシランジオールを脱プロトンして調製できる。DxCNおよびDLDPSの混合物は、100℃で5〜10時間以内に平衡化できる。DLDPSに対するDxCN比率を制御することで、異なる分子量の高分子開始剤を得る。高分子開始剤の平衡化物中の主な環状物は、4量体(8.6±0.7重量%)、5量体(6.3±0.8重量%)および6量体(2.1±0.5重量%)である。
【００４５】
2.5k-2.5k-2.5k、4k-4k-4k、および8k-8k-8kトリブロック共重合体を特性解析した。これらのトリブロック共重合体は透明で、ミクロ相分離しており、高粘度の液体である。ポリエチレンオキシド(PEO)およびポリジメチルシロキサン共重合体(PDMS)から形成するPEO-PDMS-PEOトリブロック。官能化されたポリ(2-メチルオキサゾリン)ブロック:これらのA-B-A重合体としてポリ(ジメチルシロキサン)-ブロック型を挙げることができ、A成分は重量平均分子量が約2kDaのポリ(2-メチルオキサゾリン)トリブロックを有し、B成分は約5kDaの共重合体を有し、および(b)A成分は約1kDaの重量平均分子量を有し、B成分は約2kDaを有する。ポリ(d/1-ラクチド)(「PLA」)-PEG-PLAトリブロック共重合体。ポリ(スチレン-b-ブタジエン-b-スチレン)トリブロック共重合体。
【００４６】
ポリ(エチレン(そのような重合体としてPluronic F127、Pluronic P105、またはオキシドが挙げられる)/BASF社(Performance Chemicals社)製ポリ(プロピレンオキシド)Pluronic L44。トリブロック共重合体PDMS-PCPMS-PDMS。一連の分子量のエポキシおよびビニル末端封止ポリシロキサン(系統的に変化された分子ポリシアノプロピルメチルシロキサンを有するポリジメチルシロキサントリブロック共重合体)を、開始剤としてLiOHを使用し、トリブロック共重合体のアニオン重合により合成できる。フロリダ州Odessa市のDAIS-Analytic社製Protolyte A700として入手可能な、ポリジエン-ポリスチレン-ポリジエン。アゾ官能化スチレン-ブタジエン-HEMAトリブロック共重合体。重合性末端基を有する両親媒性トリブロック共重合体。シンジオタクチックポリメチルメタクリレート(sPMMA)-ポリブタジエン(PBD)-sPMMAトリブロック 共重合体。3級アミンメタクリレートトリブロック生分解性PLGA-b-PEO-b-PLGAトリブロック共重合体、ポリアクチド-b-ポリイソプレン-b-ポリアクチドトリブロック共重合体、ポリ(イソプレン-block-スチレン-block-ジメチルシロキサン)トリブロック共重合体、ポリ(エチレンオキシド)-block-ポリスチレン-block-ポリ(エチレンオキシド)トリブロック共重合体、ポリ(エチレンオキシド)-ポリ(THF)-ポリ(エチレンオキシド)トリブロック共重合体。エチレンオキシドトリブロックポリE-カプロラクトン(Birmingham Polymers社、Birmingham市)、ALポリ(DL-ラクチド-co-グリコリド)(Birmingham Polymers社)、ポリ(DL-ラクチド)(Birmingham Polymers社)、ポリ(L-ラクチド)(Birmingham Polymers社)、ポリ(グリコリド)(Birmingham Polymers社)、ポリ(DL-ラクチド-co-カプロラクトン)(Birmingham Polymers社)、スチレン-イソプレン-スチレントリブロック(日本合成ゴム社、東京、日本国)重量平均分子量140kg/mol、共重合体ブロック比PS/PI=15/85。PMMA-b-PIB-b-PMMAポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびポリイソブチレン(PIB)。ポリ(DL-乳酸-co-グリコール酸)共重合体(PLGA)およびPEOのPLGA-PEO-PLGAトリブロック重合体。スルホン酸化スチレン/エチレン-ブチレン/スチレン(S-SEBS)トリブロック共重合体プロトン伝導性膜。ポリ(1-lactide)-block-ポリ(エチレンオキシド)-block-ポリ(1-ラクチド)トリブロック共重合体。ポリ-エステル-エステル-エステルトリブロック共重合体。PLA/PEO/PLAトリブロック 共重合体。トリブロック共重合体の合成は、オクタン酸スズの代わりに共開始剤として無毒性亜鉛金属または水素化カルシウムを使用し、ポリ(エチレングリコール)存在下においてDL-ラクチドまたはe-カプロラクトンを開環重合することで調製できる。ポリエステル/ポリエーテルの比率を調節することで、共重合体の組成を変化させることができる。
【００４７】
上記重合体は、同一または異なるクラスの2種類以上の重合体の混合物として使用できる。例えば、第1の重合体の重量%で測定すると、2種類の重合体の混合物中で、そのような混合物は、10〜15%、15〜20%、20〜25%、25〜30%、30〜35%、35〜40%、40〜45%または45〜50%を含むことができる。または、例えば、3種類の重合体が使用される場合、第1の重合体は、重合体成分全体の10〜15%、15〜20%、20〜25%、25〜30%、30〜35%、35〜40%、40〜45%または45〜50%を含むことができ、第2のものは、残りの10〜15%、15〜20%、20〜25%、25〜30%、30〜35%、35〜40%、40〜45%または45〜50%を含むことができる。
【００４８】
（本発明の態様の他の特徴）
本発明で使用される水性膜は、好ましくは、第PCT/DK2006/000278号の教示に従い調製される。その特定の特許の教示に詳述されるような、脂質二分子層中にアクアポリンを備える水性膜と、上ブロック共重合体中にアクアポリンを備える水性膜の両者の調製に適用できる。
【００４９】
いずれにせよ、いくつかの好ましい実施形態を以下に記載する。
【００５０】
上記のように、1つの実施形態において、水性膜は、機能性アクアポリン水チャネルを含む少なくとも1つの脂質二分子層またはブロック共重合体によって分離される少なくとも2つの透過性支持体層を有するサンドイッチ構造を備えてよい。
【００５１】
したがって、この実施形態での水性膜は、上の表1に記載される脂質またはブロック共重合体を含む膜などの両親媒性脂質膜よりなってよい。したがって、脂質二分子層は、リン脂質、ホスホグリセリド、スフィンゴリピド、およびカルジオリピン、およびそれらの混合物からなる群から選択される両親媒性脂質、例えば、1,2-ジパルミトイル-sn-ホスファチジルコリン(DPPC)などのリン脂質、またはリン脂質の混合物から本質的になる。
【００５２】
あるいは、脂質二分子層は、重合性脂質から本質的になるかまたはこれを含んでよい。表1参照。
【００５３】
このように本発明のこの実施形態で使用される水性膜は、多孔質支持体に接触した脂質二分子層中で再構成されたアクアポリン水チャネルを備える。本発明で有用な膜中に使用される支持体層は、一般に、上で教示されるように調製される水性膜に適合するものでなければならない。
【００５４】
本発明による水性膜の調製のための親水性表面を有する有用な支持体材料は、好ましくは、白雲母、マイカテープ、ポリスルホン、AlO2などのマイカ、および、例えばセルロースなどの親水性表面を有する重合体材料から選択される。支持体材料は本質的に平面であり、このことは支持体は好ましくは平面であるが、螺旋状に巻き取られた膜が製造される際に必要となるような支持体の湾曲も許されることを意味する。この場合、支持体材料は、例えばセルロース膜のように好ましくは柔軟なものある。
【００５５】
多孔質支持体は、好ましくは、本質的に平面な構造を有し親水性表面で、例えばエッチングによりミクロまたはナノ孔が形成されているマイカなどの材料を含んでよい。したがって、具体的な実施形態において、透過性の支持体層は、mmからμmのスケールの層厚を有し約50nmより小さい(典型的には、10〜40nmの範囲)直径を有するナノ孔が形成された(例えば、トラック-エッチング技法などのエッチングにより)マイカまたはマイカテープを含み、本質的に平面な親水性層を備える。マイカは、好ましくは白雲母である。
【００５６】
また、透過性支持体層も、シリコーン膜、ポリスルホン、AlO2、および親水性表面を有するセルロースなどの重合体からなる群より選ばれる膜などの親水化された膜表面を有してよく、約50nmより小さい(典型的には、10〜40nmの範囲)直径を有するナノ孔が形成されている。
【００５７】
アクアポリンチャネルを備える脂質膜は生体細胞膜の天然構成に似た二分子層でよく、または、脂質膜は融合され堆積された脂質ベシクルの多重二分子層よりなってもよい。脂質は、好ましくは、リン脂質(またはホスホグリセリド)、スフィンゴリピドおよびカルジオリピンなどの両親媒性の性質のものである。多孔質基体上に脂質層を堆積する際、アクアポリンチャネルは、支持体材料中に前もって存在している孔に隣接してまたは中に堆積されてよい。
【００５８】
発明の好ましい実施形態で利用される透過性または多孔質支持体は、好ましくは、R.M. Webber、J.L. Anderson、M.S. John著、Macromolecules誌、第23巻(1990年刊)、1026〜1034頁によって調製される。
【００５９】
脂質層中のアクアポリンチャネルの数および分布にほぼ等しい孔の最終的な数および分布を得ることが好ましい。
【００６０】
上記のように、もう1つの実施形態は、テフロン(登録商標)フィルムなどの疎水的表面の多孔質支持膜の周りに集合した平面脂質二分子層中のアクアポリン水チャネルの再構成を伴い、脂質単分子層は多孔質支持膜のそれぞれの面に集合する。多孔質支持膜の孔中で、脂質二分子層は集合し、アクアポリン水チャネルが再構成され得る。
【００６１】
したがって、この実施形態は少なくとも2つの脂質単分子層を有するサンドイッチ構造を備える水性膜を利用し、この時は、1つの二分子層中に集合する場合、機能性アクアポリン水チャネルを備え、前記少なくとも2つの脂質単分子層は少なくとも1つの透過性支持体層により分離される。典型的には、支持体層は脂質単分子層と接触面を形成する疎水性で穿孔された材料を含み、脂質二分子層は疎水性で穿孔された材料の貫通孔中に形成される。
【００６２】
この実施形態中の疎水性材料は脱イオン水の液滴および疎水性材料の間で少なくとも100°の接触角に対応する疎水性の度合いを有することが好ましく、接触角の測定は20℃および大気圧で行われ、しかしながら、少なくとも105°、110°、120°および120°の接触角に対応するような高い度合いの疎水性が好ましい。好ましい疎水性材料は、パラフィルムまたはテフロン(登録商標)である。
【００６３】
疎水性材料は典型的には平面で(しかし、柔軟であり、よって曲がっていてもよく)、貫通孔は典型的には均一に分布されており、疎水性材料の2つの表面間の中間面中で実質的に全てが実質的に同一の幾何学的形状である。疎水性材料中の貫通孔に関する詳細は、下に与えられる。
【００６４】
「中間面」は、平面な疎水性材料の2つの両表面のそれぞれに対する垂直距離が等しい点からなる面と定義される。
【００６５】
疎水性材料中の貫通孔の大きさは、安定な両親媒性脂質の二分子層が貫通孔中に形成され得ることを確保できればよく、nm、μmまたはmmの範囲の大きさでよい。
【００６６】
疎水性材料は、好ましくは、材料の貫通孔領域および非貫通孔領域間の比が最大とされるように穿孔され、なぜなら、これにより、水の輸送を実施するアクアポリンを有する脂質二分子層の領域が最大となるからである。したがって、それぞれの貫通孔間の距離と同様、貫通孔により構成されるパターンは重要である。1つの最適なパターンは、パターン中のそれぞれの貫通孔間の「壁の厚み」が最小である貫通孔の六角形の配置である。しかしながら、二次式のパターンも十分であることが証明され得る。
【００６７】
したがって、本発明のこの実施形態で使用される水性膜も、表1に記載される脂質を含む膜などの両親媒性脂質膜を備える。したがって、脂質二分子層は、リン脂質、ホスホグリセリド、スフィンゴリピド、およびカルジオリピン、およびそれらの混合物からなる群から選択される両親媒性脂質、例えば、1,2-ジパルミトイル-sn-ホスファチジルコリン(DPPC)などのリン脂質、またはリン脂質の混合物から本質的になる。第1の態様との差異は、主として、疎水性支持体が穿孔されている領域において膜は二分子層のみを構成しているが、脂質は、疎水性末端が疎水性支持体に面し、親水性末端が水性環境に面するようになっている。
【００６８】
本発明による水性膜の調製に有用なアクアポリンは、AQP1、TIP、PIP、NIP(図4参照)、およびそれの混合物およびハイブリッドである。ヒトに対して有害な病原性ウイルスおよびプリオンなどの混入物質を含んでいる危険性が非常に低減されるため、植物起源のアクアポリンが特に望ましい。加えて、植物性アクアポリンは植物の天然遺伝子の産物であり、植物中で過剰発現および生産できる。
【００６９】
したがって、アクアポリン水チャネルは、好ましくは、GLPAチャネル、GLPB1チャネル、GLPB2チャネル、GLPB3チャネル、およびGLPY2チャネルなどのアクアグリセロポリン(GLpF)、およびそれの混合物およびハイブリッドからなる群から選択される。
【００７０】
本発明で使用される水性膜は、好ましくは、安定化透過性または多孔質膜で取り囲まれており、この多孔質膜は剛直であっても柔軟であってもよく、水性膜の保護物および精製されるべき水性液体より粗粒子物を除外するプレフィルターとして作用することができる。それと代えてまたは付加的に、本発明の水性膜はフィルターディスク上に堆積されて、水性フィルターを生じることができる。
【００７１】
本発明の水性膜を取り囲むために任意に使用される安定化された膜に有用な材料は、比較的小さい大きさの孔を有し、ほぼ室温または約50℃より低温において固化するミクロ孔シリコーン膜である。
【００７２】
生体適合性膜は、疎水性を増加させるように表面改質されたガラス、カーボン、または重合体(ポリビニル酢酸、PDMS、カプトン(登録商標)、過フッ素化された重合体、テフロン(登録商標)、PVDF、PEEK、ポリエステル、またはUHMWPE、ポリプロピレンまたはポリスルホンなど)上に被覆するようにして固体材料に対して形成できる。PDMSなどの重合体は、その上に生体適合性膜を形成し得る開口部を設置するために使用できる優れた支持体を与える。
【００７３】
脂質二分子層膜に基づくMueller(Muellerら、1962)またはデカン系膜のMontal(Montalら、1972)に従い水性膜を調製するために有用な多孔質材料は、テフロン(登録商標)フィルムまたは疎水性表面特性の他の多孔質膜材料である。
【００７４】
また、本発明はこれらの型の膜の質を高めることにも関し、そこでは複数の孔がテフロン(登録商標)分離フィルムまたは疎水性表面特性を有する他の材料中に形成されており、図3に示す設計に従いアクアポリンを備える脂質二分子層膜またはブロック共重合体膜がその材料の周りに形成されている。
【００７５】
本発明の水性膜を取り囲むために随意的に使用される安定化膜に有用な材料は、比較的小さい大きさの孔を有し、ほぼ室温または約50℃より低温において固化するミクロ孔シリコーン膜である。
【００７６】
本発明の発明性のある膜は水のみを通し、よって圧遅延浸透を促進させる。アクアポリンは、細菌、ウイルス、鉱物、タンパク質、DNA、塩類、洗剤、溶解された気体、および水溶液からのプロトンすらを含む全ての混合物の通過を除外することが知られている。アクアグリセロポリン(GLpF)の関連するファミリーは、グリセロールも輸送できる。水の移動は対称的でいずれの方向にも進めることが示されており、このプロセスはエネルギーを消費しないので、この事実は重要である。浸透圧によって生じる特定の方向へ、水は膜を通過して移動する。
【００７７】
また、アクアポリンは変異可能である。このタンパク質は最終的な形状および機能に影響する遺伝子配列に従って宿主細菌中で特異的に発現できるため、当業者は、タンパク質の特性を変化させるためにその遺伝コードを容易に変えることができる。したがって、タンパク質の元の機能と異なってもよい望ましい適用性を満たすために、タンパク質を設計できる。例えば、水チャネルの中心付近の特定のアミノ酸残基をシステインに変えるだけで、生成されたアクアポリンは溶液中の遊離水銀に結合し、そのブロックにより水の輸送を停止することとなる。したがって、その有害物質の濃度が非常に高く上昇した場合、単に流れを止めることで、膜装置中で使用されるこれらの変異タンパク質は水試料中の水銀の混入を検出できる。
【００７８】
アクアポリン膜は、従来のシステムよりも迅速である。従来の高速逆浸透単位装置は、毎分約28.4リットル(7.5ガロン)の浄水を作製できる。現在の研究によれば、アクアポリンで満たされた脂質膜(0.0177mm2)を通過する54μ.mol/秒の速度の水分子の移動が示されている(Pohl, P.、Saparov, S.M.、Borgnia, M.J.、およびAgre, P.著、(2001年)、Proceedings of the National Academy of Sciences誌、第98巻、9624〜9629頁)。
【００７９】
最後に、新規なタンパク質ベースの膜は安価に生産できる。ウシ赤血球由来AQP1の細胞膜画分を含む脂質ミクロベシクルは、アクアポリンの安価な供給源である。
【００８０】
また、設計された大腸菌株から、アクアポリンをミリグラムの量で得ることができる。タンパク質を生産している培地単位リットル当り約2.5mgの純粋なタンパク質が得られると推定されている。米国特許出願公開第2004/0049230号参照。
【００８１】
本発明は、その具体的な実施形態に関して記述されたが、多数の改変例、変更例、および実施形態が可能なことは言うまでもなく、したがって、そのような変法、修正、および実施形態の全てが、本発明の精神および範囲内にあると解釈されることになる。ここで引用される全ての文献は、参照により、それらの全体が取り込まれる。
【００８２】
本発明の追加の態様、特徴および実施形態は、次の開示および付帯の特許請求の範囲より、より完全に明らかとなる。
【００８３】
機能性アクアポリンを水性膜中にどのようにして取り込むかの例を記載してきたが、本発明はこれらの例に限定されない。本発明は、塩分濃度差電力の生成に使用されるアクアポリンを備える任意の生体模倣水性膜に関する。
【００８４】
更に、本発明は、PROシステムにおいて前記膜を実施することに関する。図5には、PROプラントを記載するが、ここで、淡水および海水を別々の水性フィルターに供給した後、機能性アクアポリンチャネルを備える生体模倣水性膜である半透過性膜の各側上を互いに流れが通過する。次いで、透過物と圧が上昇した透過物と塩水の混合物の一部をタービンに向け、電力を発生させる。透過物流の残りは、流入海水を加圧し膜モジュールに供給する圧交換器に行く。
【００８５】
本PROプラントでは、流入海水を加圧するために、半塩水中の圧エネルギーが水圧として直接回収される。このため、この目的のための通常の送水ポンプ中で通常生じる損失分が回避される。この損失を回避することで、地表面より低い場所の代わりに地表面にPRO設備を建設でき、いずれにしても許容可能な効率を達成できる。
【００８６】
流入する海水を水圧として直接加圧し圧エネルギーを回収することは、装置の半分においてタービン圧が海水を膜モジュール中に直接押圧する装置中で行われる。海水がポンプで投入される際に、他の半分において半塩水はPRO設備の外に押し戻される。既述の装置中における水を含んでいる部分を回転させるかまたは制御されたバルブシステムにより、海水を水圧で加圧するための装置のそれぞれの半分で行われる既述の工程は交互に進行する。
【００８７】
PROシステムに関する更なる情報は国際公開第WO 02/13955号パンフレットで見出すことができ、引用により本明細書に組み込まれる。
【００８８】
本発明はPROシステムのこの例に限定されるものではないが、しかしPROシステムで実施され塩分濃度差電力の生成で使用されるアクアポリンを備える任意の生体模倣水性膜に関する。
【００８９】
したがって、本発明は、一般的な態様において塩分濃度差電力を利用する発電装置に関し、前記設備は、
-機能性アクアポリンチャネルを備える水性膜(例えば、ここで開示されるような水性膜)により分離されている、少なくとも1つの第1の貯水容器および少なくとも1つの第2の貯水容器と、
-前記少なくとも2つの貯水容器間の静水圧の差によりエネルギーを引き出す少なくとも1つの手段とを備える。エネルギーを引き出すこの手段は、典型的には、タービン、プロペラまたは静水/流体力学的エネルギーを利便な形式のエネルギー(電気、熱など)に変換できる任意の他の装置である。
【００９０】
上で議論した通り、本発明の発電装置は、前記少なくとも1つの第1の貯水容器および少なくとも第2の貯水容器への別々の注水口を利用し、前記少なくとも1つの第1の貯水容器への前記注入口は前記少なくとも1つの第2の貯水容器への前記注入口より高濃度の塩化ナトリウムを有する水を供給する。十分な静水圧が2つの貯水容器間で達成されるために、高い塩濃度を有する水(例えば、海水)を含む貯水容器は低塩貯水容器からの水を多量に収容できることが利便である。
【００９１】
［参考資料］
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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