Filtermembraan maakt virussen onschadelijk

Door Peter Rüegg

Onderzoekers van ETH Zurich ontwikkelen een nieuw filtermembraan dat zeer efficiënt is in het filteren en inactiveren van een breed scala aanborne en water-overgedragen virussen. Gemaakt van ecologisch verantwoorde materialen, heeft het membraan een passend goed benijdenswaardigronmentale voetafdruk.

Virussen kunnen zich niet alleen verspreiden via druppeltjes of aerosolen zoals het nieuwe coronavirus, maar ook in water. In feite zijn sommige potentieel gevaarlijke pathogenen van gastro-intestinale ziekten door water overgedragen virussen.

Tot op heden zijn dergelijke virussen uit water verwijderd met behulp van nanofiltratie of omgekeerde osmose, maar tegen hoge kosten en ernstige gevolgen voor het milieu. Nanofilters voor virussen zijn bijvoorbeeld gemaakt van grondstoffen op basis van aardolie, terwijl omgekeerde osmose een relatief grote hoeveelheid energie vereist.

Milieuvriendelijk membraan ontwikkeld
Nu heeft een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Raffaele Mezzenga, hoogleraar Food & Soft Materials aan eth Zürich, een nieuw waterfiltermembraan ontwikkeld dat zowel zeer effectief als milieuvriendelijk is. Om het te produceren, gebruikten de onderzoekers natuurlijke grondstoffen.

Het filtermembraan werkt volgens hetzelfde principe dat Mezzenga en zijn collega's ontwikkelden voor het verwijderen van zware of edele metalen uit water. Ze creëren het membraan met behulp van gedenatureerde wei-eiwitten die zich assembleren tot minuscule filamenten die amyloïde fibrils worden genoemd. In dit geval hebben de onderzoekers deze fibrilsteiger gecombineerd met nanodeeltjes ijzerhydroxide (Fe-O-HO).

De productie van het membraan is relatief eenvoudig. Om de fibrils te produceren, worden wei-eiwitten afkomstig van melkverwerking toegevoegd aan zuur en verwarmd tot 90 graden Celsius. Dit zorgt ervoor dat de eiwitten zich uitstrekken en zich aan elkaar hechten en fibrils vormen. De nanodeeltjes kunnen worden geproduceerd in hetzelfde reactievat als de fibrils: de onderzoekers verhogen de pH en voegen ijzerzout toe, waardoor het mengsel "uiteenvalt" in ijzerhydroxide nanodeeltjes, die zich hechten aan de amyloïde fibrils. Voor deze toepassing gebruikten Mezzenga en zijn collega's cellulose om het membraan te ondersteunen.

Deze combinatie van amyloïde fibrils en ijzerhydroxide nanodeeltjes maakt het membraan een zeer effectieve en efficiënte val voor verschillende virussen die in water aanwezig zijn. Het positief geladen ijzeroxide trekt elektrostatisch de negatief geladen virussen aan en inactiveert ze. Amyloïde fibrils alleen zouden dit niet kunnen doen omdat ze, net als de virale deeltjes, ook negatief geladen zijn bij een neutrale pH. De fibrils zijn echter de ideale matrix voor de ijzeroxide nanodeeltjes.

Verschillende virussen zeer efficiënt geëlimineerd
Het membraan elimineert een breed scala aan door water overgedragen virussen, waaronder niet-ontwikkelde adenovirussen, retrovirussen en enterovirussen. Deze derde groep kan gevaarlijke gastro-intestinale infecties veroorzaken, die elk jaar ongeveer een half miljoen mensen – vaak jonge kinderen in ontwikkelingslanden en opkomende landen – doden. Enterovirussen zijn extreem taai en zuurbestendig en blijven zeer lang in het water, dus het filtermembraan moet bijzonder aantrekkelijk zijn voor armere landen als een manier om dergelijke infecties te helpen voorkomen.

Bovendien elimineert het membraan ook H1N1-griepvirussen en zelfs het nieuwe SARS-CoV-2-virus met grote efficiëntie uit het water. In gefilterde monsters lag de concentratie van de twee virussen onder de detectielimiet, wat overeenkomt met bijna volledige eliminatie van deze pathogenen.

"We zijn ons ervan bewust dat het nieuwe coronavirus voornamelijk wordt overgedragen via druppeltjes en aerosolen, maar zelfs op deze schaal moet het virus worden omgeven door water. Het feit dat we het heel efficiënt uit water kunnen verwijderen, onderstreept op indrukwekkende wijze de brede toepasbaarheid van ons membraan", zegt Mezzenga.

Hoewel het membraan voornamelijk is ontworpen voor gebruik in afvalwaterzuiveringsinstallaties of voor drinkwaterbehandeling, kan het ook worden gebruikt in luchtfiltratiesystemen of zelfs in maskers. Omdat het uitsluitend uit ecologisch verantwoorde materialen bestaat, kan het eenvoudig na gebruik worden gecomposteerd - en de productie ervan vereist minimale energie. Deze eigenschappen geven het een uitstekende ecologische voetafdruk, zoals de onderzoekers ook in hun studie aangeeft. Omdat de filtratie passief is, vereist het geen extra energie, waardoor de werking ervan KOOLSTOFNEUtraal is en mogelijk kan worden gebruikt in elke sociale context, van stedelijke tot landelijke gemeenschappen.

Naast het laboratorium van Mezzenga waren wetenschappers van verschillende Zwitserse universiteiten bij het werk betrokken, waaronder virusspecialisten van de universiteiten van Zürich, Lausanne en Genève, EPFL, de Universiteit van Cagliari en de ETH-spin-off BluAct, die het patent op deze nieuwe technologie bezit.

Bron: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)