Белок, обнаруженный в бактерии Hansschlegelia quercus, живущей в дубовых почках, способен различать редкоземельные элементы. Использование его возможностей может произвести революцию в технологии добычи редкоземельных элементов.
К редкоземельным относятся лантаноиды с атомными номерами от 57 до 71, а также скандий и иттрий с аналогичными свойствами. Важная роль редкоземельных металлов во многих современных технологиях сочетается с их растущим дефицитом и трудностью добычи. Их трудно выделять из окружающей породы, а также отделять друг от друга, при этом многие редкоземельные элементы обычно встречаются как раз совместно. Обычные 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. Процесс разделения требует десятков или даже сотен стадий с использованием этих высокотоксичных химических веществ для получения отдельных оксидов редкоземельных элементов высокой чистоты.
Ученые Университета штата Пенсильвания открыли новый механизм различения редкоземельных элементов, используя способность бактериального белка «димеризоваться», когда он связан с определенными редкоземельными элементами, но оставаться единой молекулой, или «мономером», когда он связан с другими. Выяснив, как этот механизм работает на атомном уровне, исследователи нашли способ отделить эти похожие металлы друг от друга быстро, эффективно и в нормальных условиях при комнатной температуре. Исследователи утверждают, что эта стратегия может привести к более эффективной и экологичной технологии добычи редкоземельных металлов.
Шесть лет назад ученые лаборатории Джозефа Котруво (Joseph Cotruvo Jr.) выделили из бактерии Methylorubrum extorquens белок ланмодулин LanM и обнаружили, что он не имеет себе равных по способности связывать лантаноиды по сравнению с обычными металлами. В ходе последующей работы ученые показали, что он может очищать редкоземельные элементы как группу от десятков других металлов в смесях, которые были слишком сложными для традиционных методов извлечения редкоземельных элементов. Однако этот белок показал не такие хорошие результаты в разделении самих редкоземельных элементов.
В ходе нового исследования Котруво и его сотрудники идентифицировали сотни других природных белков, сходных с ланмодулином. Наконец они обнаружили белок бактерии Hansschlegelia quercus, обладающий нужной способностью. При связи с более легкими лантаноидами, такими как неодим, молекула этого белка склонна образовывать димеры. Если же белковая молекула связывает более тяжелые лантаноиды, например диспрозий, белок остается в мономерной форме.
Использовав метод рентгеновской кристаллографии, ученые выяснили, что данная способность белка возникла благодаря одной из его аминокислот, составляющей всего один процент всей молекулы. Эта аминокислота по-разному ведет себя при взаимодействии с тяжелыми и легкими лантаноидами. Поскольку эта аминокислота является частью сети взаимосвязанных аминокислот на границе с другим мономером, этот сдвиг изменил способ взаимодействия двух белковых единиц.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
