Ученые из университета Пенсильвании обнаружили новый механизм, с помощью которого бактерии могут выбирать между различными редкоземельными элементами, используя способность бактериального белка связываться с другой частью самого себя, или "димеризоваться", когда он связан с определенными редкоземельными элементами, но предпочитает оставаться единым целым, или "мономером".,- когда связан с другими.

Выяснив, как это молекулярное рукопожатие работает на атомном уровне, исследователи нашли способ отделять эти похожие металлы друг от друга быстро, эффективно и при нормальных условиях комнатной температуры. Исследователи утверждают, что эта стратегия может привести к более эффективной и экологичной практике добычи полезных ископаемых и переработки отходов для всего технологического сектора.

"Биологии удается отличать редкоземельные элементы от всех других существующих металлов - и теперь мы можем видеть, как она даже проводит различие между редкоземельными элементами, которые она считает полезными, и теми, которые ей не нужны", - сказал Джозеф Котруво-младший, доцент химии в Пенсильванском университете и ведущий автор статьи о редкоземельных элементах. открытие опубликовано сегодня (31 мая) в журнале Природа"Мы показываем, как мы можем адаптировать эти подходы для извлечения и разделения редкоземельных элементов".

Редкоземельные элементы, к которым относятся металлы-лантаноиды, на самом деле относительно распространены, объяснил Котруво, но минералоги называют их "рассеянными", что означает, что они в основном рассеяны по всей планете в низких концентрациях.

"Если вы сможете добывать редкоземельные элементы с помощью устройств, которые у нас уже есть, то, возможно, мы не будем так сильно зависеть от их добычи в первую очередь", - сказал Котруво. Однако он добавил, что независимо от источника, проблема отделения одного редкоземельного элемента от другого для получения чистого вещества остается.

"Независимо от того, добываете ли вы металлы из горной породы или с помощью устройств, вам все равно потребуется выполнить разделение. Наш метод, теоретически, применим для любого способа получения редкоземельных элементов", - сказал он.

Все то же самое - и совершенно другое

Проще говоря, редкоземельные элементы - это 15 элементов периодической таблицы Менделеева - лантаноиды с атомными номерами от 57 до 71 - и два других элемента с аналогичными свойствами, которые часто группируются с ними. Металлы ведут себя сходным химическим образом, имеют сходные размеры, и по этим причинам они часто встречаются вместе в земной коре. Однако каждый из них имеет различные области применения в технологиях.

Традиционные методы разделения редкоземельных элементов требуют использования большого количества токсичных химических веществ, таких как керосин и фосфонаты, аналогичных химическим веществам, которые обычно используются в инсектицидах, гербицидах и антипиренах, пояснил Котруво. Процесс разделения требует десятков или даже сотен стадий с использованием этих высокотоксичных химических веществ для получения отдельных редкоземельных оксидов высокой чистоты.

"Существует проблема извлечения их из породы, которая является одной из частей проблемы, но для которой существует множество решений", - сказал Котруво. "Но как только они появятся, вы столкнетесь со второй проблемой, потому что вам нужно отделить несколько редкоземельных элементов друг от друга. Это самая большая и интересная задача - различать отдельные редкоземельные элементы, потому что они очень похожи. Мы взяли натуральный белок, который мы называем ланмодулином или LaNm, и сконструировали его именно для этого".

Учимся у природы

Котруво и его лаборатория обратились к природе, чтобы найти альтернативу традиционному процессу разделения на основе растворителей, потому что биология уже тысячелетиями собирает и использует энергию редкоземельных элементов, особенно в классе бактерий, называемых "метилотрофами", которые часто встречаются на листьях растений, в почве и воде и играют важную роль играет важную роль в том, как углерод перемещается по окружающей среде.

Шесть лет назад лаборатория выделила ланмодулин из одной из этих бактерий и показала, что он не имеет себе равных - более чем в 100 миллионов раз лучше - по своей способности связывать лантаноиды, чем обычные металлы, такие как кальций. В ходе последующей работы они показали, что он способен очищать редкоземельные элементы как группу от десятков других металлов в смесях, которые были слишком сложными для традиционных методов извлечения редкоземельных элементов. Однако белок был менее хорош в различении отдельных редкоземельных элементов.

Котруво объяснил, что для нового исследования, подробно описанного в Nature, команда идентифицировала сотни других природных белков, которые выглядели примерно так же, как первый ланмодулин, но остановились на одном, который отличался настолько сильно - на 70%, - что они заподозрили, что он будет обладать некоторыми отличительными свойствами. Этот белок естественным образом содержится в бактерии (Hansschlegelia quercus), выделенный из почек английского дуба.

Исследователи обнаружили, что ланмодулин из этой бактерии обладает сильными способностями различать редкоземельные элементы. Их исследования показали, что эта дифференциация обусловлена способностью белка димеризоваться и выполнять своего рода рукопожатие. Когда белок связывает один из более легких лантаноидов, например неодим, рукопожатие (димер) получается сильным. Напротив, когда белок связывается с более тяжелым лантаноидом, таким как диспрозий, рукопожатие намного слабее, так что белок предпочитает мономерную форму.

"Это было удивительно, потому что эти металлы очень похожи по размеру", - сказал Котруво. "Этот белок обладает способностью дифференцироваться в масштабе, который невообразим для большинства из нас - несколько триллионных долей метра, разница, которая составляет менее десятой части диаметра атома".

Тонкая настройка разделения редкоземельных элементов

Чтобы визуализировать процесс в таком малом масштабе, исследователи объединились с Эми Боал, профессором химии, биохимии и молекулярной биологии штата Пенсильвания, которая является соавтором статьи. Лаборатория Боала специализируется на методе, называемом рентгеновской кристаллографией, который позволяет получать молекулярные изображения с высоким разрешением.

Исследователи определили, что способность белка к димеризации, зависящая от лантаноида, с которым он был связан, сводится к одной аминокислоте - 1% от всего белка, - которая занимает иное положение у лантана (который, как и неодим, является легким лантаноидом), чем у диспрозия.

Поскольку эта аминокислота является частью сети взаимосвязанных аминокислот на границе раздела с другим мономером, этот сдвиг изменил способ взаимодействия двух белковых единиц. Когда аминокислота, которая является ключевым игроком в этой сети, была удалена, белок стал гораздо менее чувствителен к редкоземельным элементам и их размеру. Полученные результаты выявили новый, естественный принцип тонкой настройки разделения редкоземельных элементов, основанный на распространении незначительных различий в месте связывания редкоземельных элементов с поверхностью раздела димеров.

Используя эти знания, их коллеги из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса показали, что белок можно привязать к маленьким шарикам в колонке и что он может отделять наиболее важные компоненты постоянных магнитов, неодим и диспрозий, за один этап, при комнатной температуре и без каких-либо органических растворителей.

"Хотя мы ни в коем случае не первые ученые, признавшие, что чувствительная к металлу димеризация может быть способом разделения очень похожих металлов, в основном с помощью синтетических молекул, - сказал Котруво, - это первый случай, когда это явление наблюдалось в природе с лантаноидами. Это фундаментальная наука с прикладными результатами. Мы раскрываем, что делает природа, и она учит нас тому, что мы можем делать лучше как химики".

Котруво считает, что концепция связывания редкоземельных элементов на молекулярной границе раздела, при которой димеризация зависит от точного размера иона металла, может стать мощным подходом для выполнения сложных разделений.

"Это верхушка айсберга", - сказал он. "При дальнейшей оптимизации этого явления самая сложная проблема из всех - эффективное разделение редкоземельных элементов, которые находятся рядом друг с другом в периодической таблице Менделеева, - может оказаться в пределах досягаемости".

На основе этой работы Пенсильванский университет подал заявку на патент, и в настоящее время команда расширяет масштабы производства, доводит до совершенства и оптимизирует белок с целью коммерциализации процесса.

Другими соавторами из университета Пенсильвании являются Джозеф Мэттокс, Джонатан Юнг, Чи-Юн Лин, Нила Йеннавар, Эмили Физерстон и Тимоти Гамильтон. Цзы Дон, Кристина Кан-Юн и Дэн Парк из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса также были соавторами статьи.

Работа финансировалась Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения, Мемориальным фондом медицинских исследований Джейн Коффин Чайлдс и Институтом критических материалов, Центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, передовых материалов и производственных технологий Офис. Часть работы была выполнена под эгидой Министерства энергетики Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса.