PNAS发现了细菌蛋白，经过改造可以更好地分离稀土金属

宾州大学公园一种新发现的蛋白质含有一个不同寻常的结合位点，可以区分稀土元素，宾夕法尼亚州立大学的研究人员已经把它做得更好。稀土元素是从现代科技到汽油生产等各个领域的关键成分。研究人员说，这种名为LanD的蛋白质比其他类似的稀土元素（ree）更能富集钕和镨，并有可能彻底改变工业采矿。

在化学教授Joseph Cotruvo Jr.的带领下，宾夕法尼亚州立大学的科学家们最近在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的土地发现。

Cotruvo说：“每种稀土元素都有特定的性质，可以用于不同的应用，但众所周知，它们很难相互分离。”他已经提交了与这项工作相关的专利申请。“目前的工业方法效率低下，需要大量使用有毒化学物质，因此基于蛋白质的稀土开采方法可以使这一过程更高效、更环保、更便宜。”

根据美国国际贸易委员会（United States International Trade Commission）的数据，美国近80%的稀土供应来自进口。Cotruvo解释说，有大量的国内原材料——包括回收旧的技术和工业副产品——来获取稀土元素，但并不是所有的稀土元素都具有相同的价值和应用。

一种更有效的分离方法可能有助于确保全国稀土供应。17种稀土元素，包括15种被称为“镧系元素”的金属，通常分为“轻”和“重”两类，轻稀土元素要丰富得多。然而，不幸的是，最常见的轻稀土元素，镧和铈，几乎没有价值，而其他轻稀土元素，镨和（特别是）钕，价值要高得多。钕是智能手机和风力涡轮机等可再生能源机械中使用的永磁体的关键成分，镨通常与钕结合在一起用于这些应用。

Cotruvo的实验室之前发现了另一种蛋白质LanM，它与所有稀土元素结合的特异性比其他任何金属都高。它以一种类似于锁和钥匙机制的方式做到这一点，蛋白质是锁，REE是钥匙。当蛋白质与稀土元素结合时，它会发生形状上的变化，类似于锁中的钥匙转动。迄今为止研究的LanM蛋白在区分重稀土元素方面做得很好，但它们在区分轻稀土元素方面做得不好，这就像一个钥匙孔可以装上几个不同的钥匙。

Cotruvo说，新发现的LanD蛋白提高了轻稀土元素的分离能力，即使不能比目前的工业实践更好，也能达到同样的效果。他说，有了一个独特的、从未见过的结合位点——金属“钥匙”可以锁在蛋白质上——LanD的天然稀土分离能力可以被设计得更有效，为绿色稀土元素采矿业带来了新的希望。

Cotruvo说：“目前的工作主要集中在优化稀土分离，以减少劳动和材料密集型。“但是这种生物体，敲诈甲杆菌，一种在自然界中大量存在的细菌，产生的蛋白质似乎已经解决了这个问题。”

敲诈甲基杆菌是一种以能够在甲醇等单碳化合物上生长而闻名的细菌，它更喜欢使用特定的稀土元素（主要是镧和铈）来支持这种生长。

六年前，当Cotruvo发现LanM是第一个高亲和力、高特异性的稀土结合蛋白时，人们并不清楚为什么LanM需要在细胞中如此紧密地结合稀土。LanD的发现为这个问题提供了一个答案：这两种蛋白质协同工作，LanD与细菌吸收但不需要的镧系元素结合，并将它们运送到LanM，在那里它们被隔离。Cotruvo说，这些镧系元素虽然对细菌不重要，但对科技生产却是最重要的。

Cotruvo说：“细菌可以吸收更多的镧系元素，而不是它喜欢使用的一小部分，所以它需要一种方法来防止那些不需要的镧系元素干扰细胞中所需镧系元素的功能。”“LanD和LanM似乎共同努力进行这种分选，这就解释了为什么以前鉴定的LanM蛋白通常擅长镧系元素的分离。”

他补充说，具有独特结合位点的LanD尤其适合轻稀土元素。

“土地最容易与钕结合，这是迄今为止最有价值的轻稀土元素。”“虽然天然存在的LanD蛋白表现出对钕的偏好，但我们对其进行了重新设计，使其能够更有效地从轻稀土混合溶液中提取钕，从而不利于其他价值较低的稀土。”

研究人员发现，对LanD结合位点进行工程设计可以使分离产生所需的钕和镨变得更加有效。在未来的应用中，研究人员表示，他们希望能够缩小蛋白质的大小，并进一步增加这种结合位点的偏好，并在更大规模的分离中实现它。Cotruvo说，这个位点可以作为化学家和工程师开发高度特异性蛋白质的起点，以完美地分类其他难以分离的元素。

此外，由于LanD和LanM专门用于分离不同的稀土元素，它们可以在一个过程中一起使用，以分离复杂的稀土元素来源，如矿石。

他说：“LanD蛋白是一种很有希望改善稀土元素分离实践的方法。”“我们正在努力让它变得更好，为更有效、更环保的稀土开采铺平道路。”

论文共同作者包括化学研究生Wyatt Larrinaga和Jonathan Jung；林志云，化学博士后；以及化学、生物化学和分子生物学教授Amie Boal。

美国国家科学基金会、DARPA环境微生物作为生物工程资源项目、国防科学与工程研究生奖学金、国家卫生研究院和Jane Coffin Childs医学研究纪念基金资助了这项工作。