一篇Nature Nanotechnology,围猎多种病毒!
奇物论 2021-06-09
我们知道,某些病毒,例如冠状病毒,可以通过空气传播。然而,有一些其他病毒则更喜欢在水中传播,包括导致胃肠道疾病的潜在危险病原体。迄今为止,已经有一些技术可以使用反渗透或纳滤从水中去除这些病毒,但它们很昂贵,并且会对环境产生有害影响。其中,反渗透会消耗大量能量,而纳米过滤器则是由石油基材料制成。受污染的饮用水仍然每年造成 500,000 人死亡,其中一半以上发生在5岁以下的儿童中。


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值得注意的是,无包膜病毒可以在水体中长期存在,甚至可以抵抗一些最严酷的处理。这一挑战不仅限于贫苦的社区,而且还扩展到拥有最先进水和废水处理设施的国家。此外,即使是通常被认为在水环境中不稳定的有包膜病毒,例如流感病毒和冠状病毒,现在也已被证明在大量水体中长时间保持高度传染性:例如,SARS-CoV-2在室温下的自来水和废水中保留其传染性超过 7 天。

因此,如果要防止全球污染,开发处有效的屏障以防止病毒通过扩散环境流体传播就变得至关重要。

成果简介
鉴于此,苏黎世联邦理工学院Raffaele Mezzenga等人开发了一种抗病毒膜捕获器,能够消除水中存在的病毒,它由从食品级牛奶蛋白中提取的淀粉样纳米纤维组成,β-乳球蛋白(BLG),并用氢氧化铁纳米颗粒(NPs)原位修饰。事实证明,新系统不仅可以高效消除腺病毒和逆转录病毒等多种病毒,而且还比当前的替代品便宜。成果发表在Nature Nanotechnology上。

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制备过程简单
制造膜过程相对简单。为了产生原纤维,将从牛奶加工中提取的乳清蛋白加入酸中(pH 值降低至 2.0)并加热至 90 °C。这导致蛋白质延伸并相互附着,形成原纤维。纳米颗粒可以在与原纤维相同的反应容器中生产:研究人员提高 pH 值并添加铁盐,使混合物“分解”成氢氧化铁纳米颗粒,然后附着在淀粉样原纤维上。

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图|BLG-AF-Fe膜的原理、制备与表征

消除病毒原理
淀粉样原纤维和氢氧化铁纳米颗粒的这种组合使膜成为一种高效且高效的捕获水中存在的各种病毒的方法。透射电镜解雇偶显示附着在 BLG AF-Fe 杂化物表面的病毒似乎在垂直于表面的方向上被拉长,这表明这种拉长是由干燥时膜的收缩驱动的,并表明病毒和 BLG AF-Fe 杂化物之间有很强的相互作用,因此,带正电的氧化铁是通过静电吸引带负电的病毒并使它们失活,这支持了病毒对 BLG AF-Fe 的附着是病毒消除背后的主要机制。同时,原纤维则提供了完美的基质来支撑纳米粒子。

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图|BLG AF-Fe杂化物消除感染性病毒的机制

高效清除各种病毒
通过实验证明了该膜可消除多种水传播病毒,包括无包膜腺病毒、逆转录病毒和肠道病毒。其中,前面提到,肠道病毒可能导致危险的胃肠道感染,每年导致大约 50 万人死亡——通常是发展中国家和新兴国家的幼儿。而且,肠道病毒非常坚韧和耐酸,可以在水中停留很长时间,因此,过滤膜应该对较贫穷的国家特别有吸引力,可以作为帮助预防此类感染的一种方式。

此外,该膜还可以高效地从水中消除 H1N1 流感病毒,甚至是新型 SARS-CoV-2 病毒。在过滤后的样本中,两种病毒的浓度都低于检测限,这相当于几乎完全消除了这些病原体。

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图|消除水中传染性包膜病毒

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图|完全和部分消除水中传染性无包膜病毒

环境友好
值得注意的是,虽然该膜主要设计用于废水处理厂或饮用水处理,但它也可用于空气过滤系统甚至是口罩。由于它完全由生态无害的材料组成,它可以在使用后简单地堆肥,并且其生产需要很少的能量。正如研究人员在他们的研究中指出的那样,这些特征使其具有极好的环境足迹。因为过滤是被动的,它不需要额外的能源,这使得它的运行是碳中和的,并且可以在任何社会环境中使用,从城市到农村社区。

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图|可持续性足迹

小结:
综上所述,研究人员展示了 AF-Fe 膜对包膜和非包膜病毒的普遍和广泛功效,其中包括 SARS-CoV-2、H1N1 和 EV71 等关键病毒。这项技术对于缓解当前和未来的病毒大流行以及解决与病原体相关的全球清洁水挑战具有直接重要性。

参考文献:
Palika, A., Armanious, A., Rahimi, A. et al. An antiviral trap made of protein nanofibrils and iron oxyhydroxide nanoparticles. Nat. Nanotechnol. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41565-021-00920-5



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