Neuartige Membran steigert Effizienz der Trinkwasseraufbereitung um ein Vielfaches

Aquaporine sind Proteine, die unter anderem in der menschlichen Niere für die Reinigung des Wassers verantwortlich sind. Sie lassen mit höchster Zuverlässigkeit nur reines Wasser durch. Jegliche Fremdkörper und Verunreinigungen bleiben in diesen extrem sensitiven Filtern hängen. In den menschlichen Nieren reinigen diese natürlichen Super-Filter täglich bis zu 200 Liter Flüssigkeit.

Die Funktion der Aquaporine war bereits seit Längerem bekannt. Für die Entdeckung der Aquaporine als biologische Wasserkanäle erhielt Peter Agre 2003 den Nobelpreis für Chemie. Nun ist es einem Team von Wissenschaftlern um Prof. Wolfgang P. Meier vom Departement Chemie der Universität Basel und vom Swiss Nanoscience Institute Basel (SNI) erstmals gelungen, eine synthetische Membran herzustellen, in die sich die Aquaporine stabil und geordnet einbringen lassen. Dabei nehmen sie ihre natürliche, für die Funktion unabdingbare Form an, sind gegen Bakterien geschützt und zudem mechanisch stabil eingebettet.

Die neuartige Trägermembran besteht aus einem Blockpolymer, das völlig dicht ist. Durch das Einbringen von Aquaporinen entstehen winzig kleine Poren, die ausschliesslich für Wasser durchlässig sind. Andere gelöste Substanzen wie Salze oder Verunreinigungen können nicht passieren.

Der Forschungserfolg wurde erst durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Chemikern, Biologen und Ingenieuren möglich. Zurzeit stellen die Forscher um Prof. Meier aus der Trägermembran nanometergrosse geschlossene Bläschen her. Eine Erweiterung der Technik auf grosse flache Membrane ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Ausserdem beschäftigt sich das Team mit Kanälen für andere Stoffe. Dank der kontrollierbaren Durchlässigkeit der Membran kann die Verabreichung gewisser Medikamente dadurch gezielt gesteuert werden.

Hilfreiche Technologie für Länder mit Trinkwasserproblemen
Erste Laborversuche haben gezeigt, das die Leistungsfähigkeit bei der Trinkwasserreinigung durch die Bläschen hindurch bereits dreissig Mal besser ist als die besten heute kommerziell erhältlichen Trinkwasserfilter. Theoretisch sollte sich dieser Wert noch auf das 20'000-Fache verbessern lassen. Die Resultate haben daher eine hohe Relevanz und Wichtigkeit für mögliche Anwendungen in der Dialyse und Effizienzsteigerung von Trinkwasseraufbereitungsanlagen – insbesondere bei Entsalzungsanlagen. Die Trinkwasserproblematik in bestimmten Entwicklungsländern könnte damit merklich entspannt werden, da die Aquaporine wie auch die Blockpolymer-Membran in der Herstellung kostengünstig sind.
Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Wolfgang P. Meier, Departement Chemie der Universität Basel, Klingelbergstrasse 80, 4056 Basel, Tel. 061 267 38 02, E-Mail: Wolfgang.Meier@unibas.ch
Originalpublikation
Manish Kumar, Mariusz Grzelakowski, Julie Zilles, Mark Clark, and Wolfgang Meier
Highly permeable polymeric membranes based on the incorporation of the functional water channel protein Aquaporin Z

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), published November 2007, doi: 10.1073/pnas.0708762104