นักวิจัยชาวอังกฤษพัฒนาประตูมดลูกโปรตีนใหม่เพื่อแยกลิเทียมและโซเดียมใช้ในการผลิตแบตเตอรี่

นักวิจัยชาวอังกฤษกำลังพัฒนาวิธีการใหม่ที่ใช้โปรตีนที่ผ่านการวิศวกรรมเพื่อสกัดลิเทียมที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ โปรตีนเหล่านี้สามารถประกอบตัวเป็นเยื่อที่มีรูพรุนเล็กถึง 1 แองสตรอม ทำให้เป็นไปได้ที่จะแยกลิเทียมออกจากโซเดียมที่มีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกัน วิธีนี้ใช้โปรตีนชั้น S ซึ่งเป็นโปรตีนที่สร้างโครงสร้างที่มีความเป็นระเบียบสูงบนพื้นผิวของจุลชีพโดยธรรมชาติ เป้าหมายของนักวิจัยคือปรับเปลี่ยนโปรตีนเหล่านี้เพื่อสร้างเยื่อที่มีรูพรุนขนาดสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถแยกลิเทียมและไอออนโซเดียมได้อย่างเลือกสรร นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมและมหาวิทยาลัยแอสตันกำลังศึกษาขนาดรูพรุนตั้งแต่ 1 ถึง 50 แองสตรอม โดย 1 แองสตรอมเท่ากับหนึ่งต่อพันล้านของเมตร

เป้าหมายคือผลิตเยื่อขนาดใหญ่ที่สามารถทำการแยกแบบเลือกสรรสูงภายใต้เงื่อนไขการดำเนินงานจริงได้ แผน 3 ปีนี้ได้รับเงินทุน 6.2 ล้านปอนด์จากหน่วยงานวิจัยและการประดิษฐ์ขั้นสูงของสหราชอาณาจักร (ARIA)

กระบวนการออกแบบและคัดเลือกเยื่อ

นักวิจัยจะออกแบบและคัดเลือกพันหรือหมื่นรูปแบบโปรตีน แล้วนำผู้สมัครที่มีศักยภาพมากที่สุดไปขยายสู่การผลิตและทดสอบเยื่อ เยื่อที่เสนอจะใช้โปรตีนชั้น S ซึ่งเป็นโปรตีนที่สร้างโครงสร้าง 2 มิติที่มีความเป็นระเบียบบนพื้นผิวของจุลชีพหลายชนิดโดยธรรมชาติ โปรตีนเหล่านี้สามารถประกอบตัวเป็นรูปแบบซ้ำๆ ได้โดยไม่ต้องจัดตำแหน่งแต่ละส่วนประกอบแยกกัน นักวิจัยวางแผนที่จะปรับโครงสร้างของมันเพื่อสร้างรูพรุนที่มีขนาดและคุณสมบัติทางเคมีที่ควบคุมได้ จะมีการออกแบบและคัดเลือกโปรตีนรูปแบบต่างๆ หลายพันรูปแบบ เพื่อระบุผู้สมัครที่สามารถแยกไอออนลิเทียมและโซเดียมได้ รูปแบบที่มีศักยภาพมากที่สุดจะถูกผลิตในขนาดใหญ่กว่าและนำไปรวมในระบบเยื่อ

ดร. โดมินิก คูบิกกี หัวหน้าโครงการจากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม กล่าวว่า "ชีววิทยาสามารถสร้างวัสดุที่มีความเป็นระเบียบด้วยความแม่นยำที่วิธีการผลิตที่มีอยู่ยากที่จะบรรลุ เรามุ่งจะใช้ประโยชน์จากจุดนี้เพื่อสร้างเยื่อที่มีรูพรุนสม่ำเสมอและเขียนโปรแกรมได้" Fold9 จะรับผิดชอบการออกแบบโปรตีนด้วยคอมพิวเตอร์ ในขณะที่ Adaptyv Bio จะจัดหาการคัดเลือกปริมาณมากของ Qualcomm เพื่อทดสอบรูปแบบต่างๆ จำนวนมาก Evove ที่ตั้งอยู่ในสหราชอาณาจักร จะมีส่วนร่วมด้านความเชี่ยวชาญในการผลิต เยื่อ ขยายขนาด และการทดสอบ นักวิจัยยังจะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนระดับความเย็น (cryo-EM) และวิธีการสะท้อนนิวตรอน เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติระดับนาโนของโครงสร้างเยื่อ

เทคโนโลยีเหล่านี้จะช่วยกำหนดว่าการเปลี่ยนแปลงของเรขาคณิตรูพรุนส่งผลต่อการเลือกสรร ความเสถียร และการขนส่งของไอออนอย่างไร

ความท้าทายในการขยายขนาดการผลิตเยื่อ

การขยายขนาดเยื่อไปนอกห้องปฏิบัติการเป็นความท้าทายหลัก ทีมวางแผนที่จะรวมการผลิตโปรตีน การผลิตเยื่อ และการทดสอบ เพื่อประเมินว่าวัสดุเหล่านี้สามารถรักษาคุณสมบัติการเลือกสรรไว้ได้เมื่อผลิตในขนาดใหญ่ขึ้น โอเวน โธมัส ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม กล่าวว่า "ความท้าทายสำคัญคือการแปลงการควบคุมระดับโมเลกุลให้กลายเป็นเยื่อที่สามารถผลิตและทำงานได้ในขนาดที่ใช้งานจริง" โครงการนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ "Universal Manufacturer" ของ ARIA ซึ่งสำรวจการใช้โปรตีนที่ผ่านการวิศวกรรมเป็นบล็อกสร้างสรรค์ในการผลิตวัสดุที่มีโครงสร้างควบคุมได้

แม้การสกัดลิเทียมจะเป็นเป้าหมายเริ่มต้น แต่นักวิจัยเชื่อว่าวิธีนี้ในที่สุดอาจรองรับการบำบัดน้ำ การรีไซเคิลแร่ธาตุสำคัญ รวมถึงการผลิตเคมีและยา

เทคโนโลยีนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา ทีมยังไม่ได้รายงานเกี่ยวกับเยื่อขนาดอุตสาหกรรมที่ทำงานได้ อัตราการฟื้นฟูลิเทียม หรือการประหยัดพลังงานที่วัดได้ แผน 3 ปีนี้จะทดสอบว่าโปรตีนที่ผ่านการวิศวกรรมสามารถให้การเลือกสรร ความทนทาน และความสามารถในการขยายขนาดที่ระบบแยกสารที่ใช้งานจริงต้องการได้หรือไม่

การประยุกต์ใช้และความท้าทายที่เป็นไปได้ของเยื่อโปรตีนใหม่

การวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของโปรตีนที่ผ่านการวิศวกรรมในการผลิตแบตเตอรี่ โดยเฉพาะในด้านการแยกแบบเลือกสรรระหว่างลิเทียมและโซเดียม ด้วยการใช้ประโยชน์จากความแม่นยำของชีววิทยา นักวิจัยหวังที่จะสร้างเยื่อที่มีรูพรุนควบคุมได้ ซึ่งมีความสำคัญต่อการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม การขยายเทคโนโลยีจากห้องปฏิบัติการสู่ขนาดอุตสาหกรรมยังคงเผชิญกับความท้าทาย โดยเฉพาะในการรักษาคุณสมบัติการเลือกสรรของเยื่อ หากสำเร็จ เทคโนโลยีนี้จะไม่เพียงปรับปรุงการผลิตแบตเตอรี่เท่านั้น แต่อาจเล่นบทบาทสำคัญในด้านการบำบัดน้ำและการรีไซเคิลแร่ธาตุด้วย แสดงถึงศักยภาพการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวาง