PNAS發現了細菌蛋白，經過改造可以更好地分離稀土金屬

賓州大學公園一種新發現的蛋白質含有一個不同尋常的結合位點，可以區分稀土元素，賓夕法尼亞州立大學的研究人員已經把它做得更好。稀土元素是從現代科技到汽油生產等各個領域的關鍵成分。研究人員說，這種名為LanD的蛋白質比其他類似的稀土元素（ree）更能富集釹和鐠，并有可能徹底改變工業采礦。

在化學教授Joseph Cotruvo Jr.的帶領下，賓夕法尼亞州立大學的科學家們最近在《美國國家科學院院刊》上發表了他們的土地發現。

Cotruvo說：“每種稀土元素都有特定的性質，可以用于不同的應用，但眾所周知，它們很難相互分離。”他已經提交了與這項工作相關的專利申請。“目前的工業方法效率低下，需要大量使用有毒化學物質，因此基于蛋白質的稀土開采方法可以使這一過程更高效、更環保、更便宜。”

根據美國國際貿易委員會（United States International Trade Commission）的數據，美國近80%的稀土供應來自進口。Cotruvo解釋說，有大量的國內原材料——包括回收舊的技術和工業副產品——來獲取稀土元素，但并不是所有的稀土元素都具有相同的價值和應用。

一種更有效的分離方法可能有助于確保全國稀土供應。17種稀土元素，包括15種被稱為“鑭系元素”的金屬，通常分為“輕”和“重”兩類，輕稀土元素要豐富得多。然而，不幸的是，最常見的輕稀土元素，鑭和鈰，幾乎沒有價值，而其他輕稀土元素，鐠和（特別是）釹，價值要高得多。釹是智能手機和風力渦輪機等可再生能源機械中使用的永磁體的關鍵成分，鐠通常與釹結合在一起用于這些應用。

Cotruvo的實驗室之前發現了另一種蛋白質LanM，它與所有稀土元素結合的特異性比其他任何金屬都高。它以一種類似于鎖和鑰匙機制的方式做到這一點，蛋白質是鎖，REE是鑰匙。當蛋白質與稀土元素結合時，它會發生形狀上的變化，類似于鎖中的鑰匙轉動。迄今為止研究的LanM蛋白在區分重稀土元素方面做得很好，但它們在區分輕稀土元素方面做得不好，這就像一個鑰匙孔可以裝上幾個不同的鑰匙。

Cotruvo說，新發現的LanD蛋白提高了輕稀土元素的分離能力，即使不能比目前的工業實踐更好，也能達到同樣的效果。他說，有了一個獨特的、從未見過的結合位點——金屬“鑰匙”可以鎖在蛋白質上——LanD的天然稀土分離能力可以被設計得更有效，為綠色稀土元素采礦業帶來了新的希望。

Cotruvo說：“目前的工作主要集中在優化稀土分離，以減少勞動和材料密集型。“但是這種生物體，敲詐甲桿菌，一種在自然界中大量存在的細菌，產生的蛋白質似乎已經解決了這個問題。”

敲詐甲基桿菌是一種以能夠在甲醇等單碳化合物上生長而聞名的細菌，它更喜歡使用特定的稀土元素（主要是鑭和鈰）來支持這種生長。

六年前，當Cotruvo發現LanM是第一個高親和力、高特異性的稀土結合蛋白時，人們并不清楚為什么LanM需要在細胞中如此緊密地結合稀土。LanD的發現為這個問題提供了一個答案：這兩種蛋白質協同工作，LanD與細菌吸收但不需要的鑭系元素結合，并將它們運送到LanM，在那里它們被隔離。Cotruvo說，這些鑭系元素雖然對細菌不重要，但對科技生產卻是最重要的。

Cotruvo說：“細菌可以吸收更多的鑭系元素，而不是它喜歡使用的一小部分，所以它需要一種方法來防止那些不需要的鑭系元素干擾細胞中所需鑭系元素的功能。”“LanD和LanM似乎共同努力進行這種分選，這就解釋了為什么以前鑒定的LanM蛋白通常擅長鑭系元素的分離。”

他補充說，具有獨特結合位點的LanD尤其適合輕稀土元素。

“土地最容易與釹結合，這是迄今為止最有價值的輕稀土元素。”“雖然天然存在的LanD蛋白表現出對釹的偏好，但我們對其進行了重新設計，使其能夠更有效地從輕稀土混合溶液中提取釹，從而不利于其他價值較低的稀土。”

研究人員發現，對LanD結合位點進行工程設計可以使分離產生所需的釹和鐠變得更加有效。在未來的應用中，研究人員表示，他們希望能夠縮小蛋白質的大小，并進一步增加這種結合位點的偏好，并在更大規模的分離中實現它。Cotruvo說，這個位點可以作為化學家和工程師開發高度特異性蛋白質的起點，以完美地分類其他難以分離的元素。

此外，由于LanD和LanM專門用于分離不同的稀土元素，它們可以在一個過程中一起使用，以分離復雜的稀土元素來源，如礦石。

他說：“LanD蛋白是一種很有希望改善稀土元素分離實踐的方法。”“我們正在努力讓它變得更好，為更有效、更環保的稀土開采鋪平道路。”

論文共同作者包括化學研究生Wyatt Larrinaga和Jonathan Jung；林志云，化學博士后；以及化學、生物化學和分子生物學教授Amie Boal。

美國國家科學基金會、DARPA環境微生物作為生物工程資源項目、國防科學與工程研究生獎學金、國家衛生研究院和Jane Coffin Childs醫學研究紀念基金資助了這項工作。