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類澱粉蛋白化身奈米微管,打造低耗能海水淡化膜——專訪國立陽明交通大學的生命科學系暨基因體科學研究所許世宜教授

113/03/27 瀏覽次數 791

海洋到處是水,卻無一滴可飲

英國詩人柯勒律治有一廣傳的詩句,令不同時空,不分男女老少的無數讀者都能共鳴:「水啊,水啊,到處是水,卻無一滴可飲」[1]

水是人類賴以為生的資源之一,地球表面的水域面積遠遠大於陸地,可惜人們依然時常面臨缺水問題。海洋占地表約七成面積,近乎無窮的海水,人卻無法飲用。柯勒律治在《古舟子詠》詩中,透過一位迷航的水手獨白,向讀者表達絕望的情境;到處都是海水,卻一口都不能喝!


[1] 柯勒律治(Samuel Taylor Coleridge)1798 年《古舟子詠》(The Rime of the Ancient Mariner)長詩中名句「水啊,水啊,到處是水,卻無一滴可飲」(Water, water, every where, Nor any drop to drink) 。

臺灣四面環海,面對這麼廣闊的資源,我們該怎麼加以利用呢?

臺灣四面環海,面對這麼廣闊的資源,我們該怎麼加以利用呢?
圖片來源:Tom Wang/Shutterstock.com

海水不能喝,應該是常識。可是除了嚐起來鹹鹹的以外,海水為什麼不能喝呢?因為人體內部要維持「恆定」,體液要維持在一定的濃度範圍;如果喝下鹽分太多的海水,人體必須將過量的鹽分排出,這便會耗費大量的水,使得身體脫水。

這麼說來,假如將鹽分排除,讓海水「淡化」,豈不就能解決灌溉與飲用水源的問題?說起來簡單,實際上要做到並不容易。世界各地已經有不少淡化海水的裝置,可是產量依然有限,這也激勵科學家提出各種新方法。

許世宜教授任職於國立陽明交通大學的生命科學系暨基因體科學研究所,2023 年發表於著重奈米技術的《Small》期刊的論文中,提出淡化海水的一類新材料。相比於過往的方法,能明確降低能量消耗,更加環保,也有望提升產量。

許世宜教授 

國立陽明交通大學的生命科學系暨基因體科學研究所 許世宜教授 
圖片來源:許世宜教授 

淡化海水新方法,向生物取經

海水的鹽分來自氯、鈉等鹽離子,淡化海水的目標便是分開水中的離子,常見有逆滲透、蒸餾、離子交換法,目前最常用的是「逆滲透」。

「滲透」的道理是,大自然會傾向平衡,水會由滲透壓低處(鹽離子較少)流向高處。逆滲透則是反其道而行,藉由人為外加壓力,讓水由滲透壓高處(例如鹽離子多的海水)向低處流,通過「逆滲透膜」而得到淡水。

許世宜團隊提出的方法,最大的差異在於不需要外加壓力,大幅降低耗費的能量。聽起來不合理,到底如何做到呢?他們由生物汲取靈感。生物為了生存,會製造有利於它們生存的環境,例如蜘蛛絲的表面會讓水滴單向移動,這種接近分子大小層級的過程,不需要外界提供能量即可運作的方式,稱為「分子馬達」(molecular motor)。

「乙型類澱粉蛋白」(amyloid beta, Aβ)是天然存在於生物體內,具有自發聚集性的蛋白質結構。相關研究在醫學領域深受重視,因為不正常折疊的類澱粉蛋白,正是阿茲海默症等慢性疾病的可能元凶。另一方面,其堅韌之結構也具有材料學的應用價值。類澱粉蛋白形成的奈米微管,會阻止鹽離子並自動輸送水分子,是人造分子馬達的潛力材料。

利用親疏水性,分子馬達自動運轉

基本原理是,蛋白質由不同的胺基酸組成,胺基酸對水的關係可分為親水性、疏水性。同一個蛋白質結構上,假如一側親水,另一側疏水,水流過的時候,親水側對水的吸附力較強,因此流速較慢,疏水側則會比較快。如此產生位能差異,便可讓水分子朝特定方向移動。

類澱粉蛋白折疊形成的片狀結構表面,親水、疏水區交錯規律排列,構成不對稱的棘狀位能(ratchet potential)。而三片類澱粉蛋白,自行組裝形成的奈米微管,會引導水分子向特定方向流動;不需要外加能量,可謂自動運轉的分子馬達。人類可以利用此一特性,以奈米管製作過濾膜,達成海水淡化之目的。

然而,海水中不只水,還有氯、鈉等鹽分子,也就是海水淡化必須去除的目標,天然的類澱粉蛋白卻不太能分離鹽分子。所幸透過簡單的基因改造,可以解決問題。

蛋白質由胺基酸組成,胺基酸又取決於 DNA 編碼,修改 DNA 序列便可改變胺基酸,影響蛋白質的性質。鹽分子是帶電的離子,例如氯離子帶負電,鈉離子帶正電;將類澱粉蛋白中的部分位置,修改為帶電的胺基酸,可以讓組成的奈米管增強兩親性(amphiphilic)性質,增加親水性的位能,提升分離效率。

根據上述原理,實驗團隊設計六款序列有別的奈米微管,比較性能差異。實驗得知,它們在水流速度、孔徑大小等不同條件影響下,各有優缺點。獲取這些資訊,未必能直接應用於設定情境下,最適合海水淡化的成品,相關新知卻有其價值,有助於未來的研究與嘗試。

海水淡化圖

海水淡化示意圖。圖片來源:許世宜教授

不只海水淡化的奈米微管,用途多變之仿生材料

實驗得知最符合需求的人造奈米微管稱為「T(HP-3E3K)12-DPPC」,由這種材料製作的過濾膜,能有效隔絕氯化鈉溶液中的鹽離子,達到百分之百的海水淡化率,而且不需要額外耗能施加壓力。模擬估計,一片面積為 100 平方公分的過濾膜,一天可以過濾取得 2.5 公噸的純水,產量是目前商業常用逆滲透方法的 200 倍之多。

由類澱粉蛋白製作的海水淡化膜,因為源自對生物的模仿,也能算是「仿生材料」之應用。這類材料不只能用於過濾膜,還有多種潛力,例如生物傳感器、藥物輸送平臺、塗料等用途。

與現今海水淡化方法相比,它有多項優點,像是膜的製作不至於太難,運行消耗的能量較低,廢棄後材質容易被生物分解,能降低汙染,更加環保。

然而,由實驗室到大量商業生產,仍有許多困難需要克服。實驗室研發時,是在精心呵護的穩定環境中,測試淡化氯化鈉液體。實際應用於真正的海水淡化,運作時卻會面臨各種問題,像是過濾膜的阻塞、污染等等。

透過上述介紹,讀者們應該可以體會這項方法的優點與潛力。不過要親眼見識它大發神威,還需耐心等待。

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