Улучшенный редкий - Ганьсу Целебный Кристалл Co., Ltd.

Nature, том 618, страницы 87–93 (2023 г.) Процитировать эту статью

2865 Доступов

127 Альтметрика

Подробности о метриках

Технологически важные редкоземельные элементы, как известно, трудно разделить из-за их тонких различий в ионном радиусе и координационном числе1,2,3. Природный белок, связывающий лантаноиды, ланмодулин (LanM)4,5 является устойчивой альтернативой традиционному разделению на основе экстракции растворителем6. Здесь мы характеризуем новый LanM из Hansschlegelia quercus (Hans-LanM) с олигомерным состоянием, чувствительным к ионному радиусу редкоземельных элементов, при этом димер, индуцированный лантаном (III), более в 100 раз плотнее, чем димер, индуцированный диспрозием (III). димер. Рентгеновские кристаллические структуры иллюстрируют, как различия в радиусах лантана (III) и диспрозия (III) в масштабе пикометра распространяются на четвертичную структуру Ханса-ЛанМ посредством карбоксилатного сдвига, который перестраивает сеть водородных связей второй сферы. Сравнение с прототипом LanM от Mmethylorubrum extorquens выявляет различные стратегии координации металлов, что объясняет большую селективность Hans-LanM в отношении редкоземельных элементов. Наконец, структурно-ориентированный мутагенез ключевого остатка на границе раздела димеров Ханса-LanM модулирует димеризацию в растворе и обеспечивает одностадийное разделение на колонке смеси неодима (III) / диспрозия (III) до чистоты отдельных элементов> 98%. . Эта работа демонстрирует естественное разнообразие мотивов селективного распознавания лантаноидов и раскрывает димеризацию, чувствительную к редкоземельным элементам, как биологический принцип, с помощью которого можно настроить эффективность процессов разделения на основе биомолекул.

Незаменимая роль редкоземельных (РЗЭ) элементов в повсеместно распространенных современных технологиях, начиная от постоянных магнитов и заканчивая светоизлучающими диодами и люминофорами, возобновила интерес к одной из важнейших задач науки о разделении — эффективному разделению лантаноидов1. Разделение этих 15 элементов осложняется схожими физико-химическими свойствами их преобладающих ионов +III, при этом ионные радиусы уменьшаются всего на 0,19 Å между LaIII и LuIII (ссылка 7), что также приводит к совместному появлению этих металлов в редкоземельных элементах. минералы. Обычные гидрометаллургические методы жидкостно-жидкостной экстракции для производства РЗЭ используют органические растворители, такие как керосин и токсичные фосфонатные экстрагенты, и требуют десятков или даже сотен стадий для получения отдельных оксидов РЗЭ высокой чистоты3,8. Неэффективность и большое воздействие разделения РЗЭ на окружающую среду9 стимулировали исследовательские усилия по поиску альтернативных лигандов с более высокими коэффициентами разделения между соседними РЗЭ10,11,12,13,14, а также более экологичным разработкам процессов для достижения разделения РЗЭ за меньшее количество стадий15 и с использованием полностью водной химии6. 16,17,18,19,20.

Открытие члена-основателя семейства белков, связывающих лантаноиды LanM, продемонстрировало, что природа создала макромолекулы, превосходящие по селективности синтетические хелаторы f-элементов4. Прототип LanM из M. extorquens AM1 (Mex-LanM) представляет собой небольшой (12 кДа) мономерный белок, который подвергается избирательному конформационному ответу на пикомолярные концентрации лантаноидов4,18 и актинидов21,22,23,24. понимание поглощения лантаноидов метилотрофами25 и послужило технологической платформой для обнаружения f-элементов26, извлечения18,27 и разделения6. Что необычно среди хелаторов РЭ, Mex-LanM отдает предпочтение более крупным и обильным легким РЭ (LRE), особенно LaIII-SmIII, по сравнению с тяжелыми РЭ (HRE)4. Наша недавняя демонстрация того, что даже единичные замены в металлсвязывающих мотивах Mex-LanM могут улучшить разделение актинидов и лантаноидов23, побудила нас исследовать, могут ли ортологи Mex-LanM обладать отчетливыми и потенциально полезными тенденциями селективности к металлам.

Здесь мы сообщаем, что LanM из Hansschlegelia quercus (Hans-LanM), метилотрофной бактерии, выделенной из почек английского дуба28, демонстрирует повышенную способность к разделению RE по сравнению с Mex-LanM. В то время как Mex-LanM всегда мономерен, Hans-LanM существует в равновесии мономер/димер, положение которого зависит от конкретного связываемого RE. Три рентгеновские кристаллические структуры LanMs и структурно-ориентированный мутагенез объясняют RE-зависимое олигомерное состояние Hans-LanM и его большую разделительную способность, чем у Mex-LanM. Наконец, мы используем эти результаты для достижения одноступенчатого разделения критической пары неодим/диспрозий на основе Hans-LanM. Эти результаты показывают, как межмолекулярные взаимодействия – распространенные в белках, но редкие в малых молекулах – могут быть использованы для улучшения разделения RE.

0.3 µM, the highest concentration accessible in the chelator-buffered titrations). The main response to DyIII occurs at 2.6 nM, >30-fold higher than with the LREs, and with little or no cooperativity (n = 1.3). By contrast, Mex-LanM shows only a modest preference for LREs (about fivefold; Fig. 1e; ref. 4), and all lanthanides and YIII induce similar conformational changes and cooperativity18. Hans-LanM responds to calcium(II) weakly (Kd,app = 60 µM), with the same lack of cooperativity (n = 1.0) and partial conformational change evident with DyIII (Extended Data Fig. 2). Therefore, Hans-LanM discriminates more strongly between LREs and HREs than does Mex-LanM, with the HRE complexes exhibiting lower affinity, lesser cooperativity and a lesser primary conformational change./p>100-fold over DyIII./p>

98% yield; Extended Data Fig. 6). This significantly outperformed the comparable Mex-LanM-based process, which achieved only 50% purity in a first separation stage and required a second stage to obtain >98% purity6. The immobilized R100K variant performed even better, achieving baseline separation of DyIII and NdIII to >98% purity and >99% yield in a single stage (Fig. 4d). The R100K variant's better performance was unexpected and may point to the unlikelihood of functional dimers on the column at this immobilization density (see the caption of Extended Data Fig. 6 for a discussion). Thus, despite substantially improved performance versus Mex-LanM enabled by characterization of Hans-LanM's mechanism of dimerization, fully exploiting the dimerization phenomenon on-column may involve, for example, tethering of two monomers on a single polypeptide chain, which is under investigation./p>

0.05) by two-tailed t-test, suggesting that the hydrogen-bonding network involving Arg100 contributes relatively little to NdIII/HRE selectivity, though it does impact LaIII selectivity significantly (Fig. 4a). All data are shown as mean ± s.d. (a—c) or s.e.m. (d) for data from 3 independent experiments./p>