_ A protein mine, sortează pământurile rare mai bine decât oamenii, deschizând calea pentru tehnologia ecologică

Elementele pământurilor rare, cum ar fi neodimul și disproziul, sunt o componentă critică pentru aproape toate tehnologiile moderne, de la smartphone-uri până la hard disk, dar ele sunt notoriu greu de utilizat. separate de scoarța terestră și una de cealaltă.

Oamenii de știință de la Penn State au descoperit un nou mecanism prin care bacteriile pot alege între diferite elemente de pământuri rare, folosind capacitatea unei proteine ​​bacteriene să se lege de o altă unitate a lui însuși, sau să „dimerizeze”, atunci când este legat de anumite pământuri rare, dar preferă să rămână o singură unitate, sau „monomer”, atunci când este legat de altele.

Înțelegând Cum funcționează această strângere de mână moleculară la nivel atomic, cercetătorii au găsit o modalitate de a separa aceste metale similare unele de altele rapid, eficient și în condiții normale de temperatură a camerei. Această strategie ar putea duce la practici de exploatare și reciclare mai eficiente, mai ecologice pentru întregul sector tehnologic, susțin cercetătorii.

„Biologia reușește să diferențieze pământurile rare de toate celelalte metale existente – iar acum, putem Vedeți cum diferențiază chiar și între pământurile rare pe care le consideră utile și cele pe care nu le face”, a spus Joseph Cotruvo Jr., profesor asociat de chimie la Penn State și autor principal al unei lucrări despre descoperire publicată astăzi în revista Nature. „Arătăm cum putem adapta aceste abordări pentru recuperarea și separarea pământurilor rare.”

Elementele pământurilor rare, care includ metalele lantanide, sunt de fapt relativ abundente, a explicat Cotruvo, dar acestea sunt ceea ce mineralogiștii. numiți „dispersate”, adică sunt în mare parte împrăștiate pe întreaga planetă în concentrații scăzute.

„Dacă puteți recolta pământuri rare din dispozitive pe care le avem deja, atunci s-ar putea să nu fim atât de dependenți de extragerea lor în minerit. pe primul loc”, a spus Cotruvo. Totuși, el a adăugat că, indiferent de sursă, rămâne provocarea de a separa un pământ rar de altul pentru a obține o substanță pură.

„Fie că extrageți metalele din rocă sau din dispozitive, tot veți trebuie să efectuăm separarea. Metoda noastră, în teorie, este aplicabilă în orice mod în care sunt recoltate pământurile rare", a spus el.

În termeni simpli, pământurile rare sunt 15 elemente din tabelul periodic - lantanide, cu numere atomice de la 57 la 71 — și alte două elemente cu proprietăți similare care sunt adesea grupate cu ele. Metalele se comportă chimic similar, au dimensiuni similare și, din aceste motive, adesea se găsesc împreună în scoarța terestră. Cu toate acestea, fiecare are aplicații distincte în tehnologii.

Practicile convenționale de separare a pământurilor rare necesită utilizarea unor cantități mari de substanțe chimice toxice, cum ar fi kerosenul și fosfonații, similare cu substanțele chimice care sunt utilizate în mod obișnuit în insecticide, erbicide și retardanți de flacără, Cotruvo. explicat. Procesul de separare necesită zeci sau chiar sute de pași, folosind aceste substanțe chimice extrem de toxice, pentru a obține oxizi individuali de pământuri rare de înaltă puritate.

„Este scoaterea lor din rocă, care este o parte a problemă, dar una pentru care există multe soluții”, a spus Cotruvo. „Dar întâmpinați o a doua problemă odată ce sunt eliminate, pentru că trebuie să separați mai multe pământuri rare unele de altele. Aceasta este cea mai mare și mai interesantă provocare, discriminarea între pământurile rare individuale, pentru că sunt atât de asemănătoare. a luat o proteină naturală, pe care o numim lanmodulină sau LanM, și a conceput-o pentru a face exact asta.”

Cotruvo și laboratorul său s-au orientat către natură pentru a găsi o alternativă la procesul convențional de separare pe bază de solvenți, deoarece biologia deja recoltează și valorifică puterea pământurilor rare de milenii, în special într-o clasă de bacterii numită „metilotrofe” care se găsesc adesea pe frunzele plantelor, în sol și apă și joacă un rol important în modul în care carbonul se mișcă prin mediu.

Acum șase ani, laboratorul a izolat lanmodulina dintr-una dintre aceste bacterii și a arătat că a fost de neegalat – de peste 100 de milioane de ori mai bine – în capacitatea sa de a lega lantanidele de metale comune precum calciul. Prin lucrările ulterioare, ei au arătat că a fost capabil să purifice pământurile rare ca grup din zeci de alte metale în amestecuri care erau prea complexe pentru metodele tradiționale de extracție a pământurilor rare. Cu toate acestea, proteina a fost mai puțin bună la discriminarea între pământurile rare individuale.

Cotruvo a explicat că, pentru noul studiu detaliat în Nature, echipa a identificat sute de alte proteine ​​naturale care semănau aproximativ cu prima lanmodulină, dar care adăposteau. într-unul care a fost suficient de diferit – 70% diferit – încât au bănuit că ar avea unele proprietăți distincte. Această proteină se găsește în mod natural într-o bacterie (Hansschlegelia quercus) izolată din mugurii de stejar englezesc.

Cercetătorii au descoperit că lanmodulina din această bacterie prezenta capacități puternice de a diferenția pământurile rare. Studiile lor au indicat că această diferențiere provine dintr-o capacitate a proteinei de a dimeriza și de a efectua un fel de strângere de mână. Când proteina leagă una dintre lantanidele mai ușoare, cum ar fi neodimul, strângerea de mână (dimerul) este puternică. În schimb, atunci când proteina se leagă de o lantanidă mai grea, cum ar fi disproziul, strângerea de mână este mult mai slabă, astfel încât proteina favorizează forma monomerului.

„Acest lucru a fost surprinzător, deoarece aceste metale sunt foarte asemănătoare ca mărime, ", a spus Cotruvo. „Această proteină are capacitatea de a se diferenția la o scară inimaginabilă pentru majoritatea dintre noi – câteva trilioane de metru, o diferență care este mai mică de o zecime din diametrul unui atom.”

Pentru a Vizualizați procesul la o scară atât de mică, cercetătorii au făcut echipă cu Amie Boal, profesor de chimie, biochimie și biologie moleculară din Penn State, care este co-autor al lucrării. Laboratorul lui Boal este specializat într-o tehnică numită cristalografie cu raze X, care permite imagistica moleculară de înaltă rezoluție.

Cercetătorii au stabilit că capacitatea proteinei de a se dimeriza în funcție de lantanida de care a fost legată s-a redus la un un singur aminoacid – 1% din întreaga proteină – care a ocupat o poziție diferită cu lantanul (care, ca și neodimul, este o lantanidă ușoară) decât cu disproziul.

Deoarece acest aminoacid face parte dintr-o rețea de aminoacizii interconectați la interfața cu celălalt monomer, această schimbare a modificat modul în care cele două unități de proteine ​​au interacționat. Când un aminoacid care este un jucător cheie în această rețea a fost eliminat, proteina a fost mult mai puțin sensibilă la identitatea și dimensiunea pământurilor rare. Descoperirile au dezvăluit un nou principiu natural pentru reglarea fină a separărilor pământurilor rare, bazat pe propagarea diferențelor minuscule la locul de legare a pământurilor rare la interfața dimerului.

Folosind aceste cunoștințe, colaboratorii lor de la Lawrence Livermore National Laboratorul a arătat că proteina poate fi legată de mărgele mici într-o coloană și că poate separa cele mai importante componente ale magneților permanenți, neodim și disproziu, într-o singură etapă, la temperatura camerei și fără solvenți organici.

„Deși nu suntem în niciun caz primii oameni de știință care recunosc că dimerizarea sensibilă la metale ar putea fi o modalitate de a separa metale foarte asemănătoare, mai ales cu molecule sintetice”, a spus Cotruvo, „aceasta este prima dată când acest fenomen a fost observată în natură cu lantanide. Aceasta este știință de bază cu rezultate aplicate. Dezvăluim ceea ce face natura și ne învață ce putem face mai bine ca chimiști."

Cotruvo consideră că conceptul de legare a pământurilor rare la o interfață moleculară, astfel încât dimerizarea să fie dependentă de mărimea exactă a ionului metalic, poate fi o abordare puternică pentru realizarea separărilor dificile.

p> „Acesta este vârful aisbergului”, a spus el. „Odată cu o optimizare suplimentară a acestui fenomen, cea mai grea problemă dintre toate – separarea eficientă a pământurilor rare care sunt unul lângă celălalt pe tabelul periodic – poate fi la îndemână.”

O cerere de brevet a fost depusă de către Penn State pe baza acestei lucrări și echipa în prezent extinde operațiunile, ajustează și eficientizează proteina cu scopul de a comercializa procesul.

Alți coautori Penn State sunt Joseph Mattocks, Jonathan Jung, Chi-Yun Lin, Neela Yennawar, Emily Featherston și Timothy Hamilton. Ziye Dong, Christina Kang-Yun și Dan Park de la Laboratorul Național Lawrence Livermore au fost, de asemenea, coautori a lucrării.

(Fluierul)