Ein Protein baut ab, sortiert seltene Erden besser als Menschen und ebnet so den Weg für grüne Technologie

Seltenerdelemente wie Neodym und Dysprosium sind ein entscheidender Bestandteil fast aller modernen Technologien, von Smartphones bis hin zu Festplatten, aber sie sind bekanntermaßen schwer von der Erdkruste und voneinander zu trennen.

Wissenschaftler der Penn State University haben einen neuen Mechanismus entdeckt, mit dem Bakterien zwischen verschiedenen Seltenerdelementen wählen können. Dabei nutzen sie die Fähigkeit eines Bakterienproteins, sich an eine andere Einheit seiner selbst zu binden oder zu „dimerisieren“, wenn es an bestimmte Seltenerdmetalle gebunden ist, diese aber bevorzugen eine einzelne Einheit oder ein „Monomer“ zu bleiben, wenn es an andere gebunden ist.

Indem sie herausfanden, wie dieser molekulare Händedruck auf atomarer Ebene funktioniert, haben die Forscher einen Weg gefunden, diese ähnlichen Metalle schnell, effizient und unter normalen Raumtemperaturbedingungen voneinander zu trennen. Diese Strategie könnte zu effizienteren, umweltfreundlicheren Bergbau- und Recyclingpraktiken für den gesamten Technologiesektor führen, so die Forscher.

„Die Biologie schafft es, Seltene Erden von allen anderen Metallen da draußen zu unterscheiden – und jetzt können wir sehen, wie sie sogar zwischen den Seltenen Erden unterscheidet, die sie für nützlich hält, und denen, die sie nicht für nützlich hält“, sagte Joseph Cotruvo Jr., außerordentlicher Professor für Chemie an der Penn State University und Hauptautor eines Artikels über die Entdeckung, der heute in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur. „Wir zeigen, wie wir diese Ansätze für die Gewinnung und Trennung seltener Erden anpassen können.“

Seltene Erden, zu denen auch die Lanthanidenmetalle gehören, seien tatsächlich relativ häufig anzutreffen, erklärte Cotruvo, aber sie seien das, was Mineralogen „verteilt“ nennen, was bedeutet, dass sie größtenteils in geringen Konzentrationen über den gesamten Planeten verstreut sind.

„Wenn man Seltene Erden mit Geräten gewinnen kann, die wir bereits haben, dann sind wir möglicherweise gar nicht so sehr auf den Abbau angewiesen“, sagte Cotruvo. Er fügte jedoch hinzu, dass unabhängig von der Quelle weiterhin die Herausforderung besteht, eine seltene Erde von einer anderen zu trennen, um eine reine Substanz zu erhalten.

„Egal, ob Sie die Metalle aus Gestein oder aus Geräten abbauen, Sie müssen immer noch die Trennung durchführen. Unsere Methode ist theoretisch auf jede Art und Weise anwendbar, mit der seltene Erden geerntet werden“, sagte er.

Alles gleich – und ganz anders

Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei Seltenen Erden um 15 Elemente des Periodensystems – die Lanthanoide mit den Ordnungszahlen 57 bis 71 – und zwei weitere Elemente mit ähnlichen Eigenschaften, die oft mit ihnen gruppiert werden. Die Metalle verhalten sich chemisch ähnlich, haben ähnliche Größen und kommen aus diesen Gründen oft gemeinsam in der Erdkruste vor. Allerdings hat jedes davon unterschiedliche Anwendungen in der Technologie.

Herkömmliche Verfahren zur Trennung seltener Erden erfordern den Einsatz großer Mengen giftiger Chemikalien wie Kerosin und Phosphonate, ähnlich wie Chemikalien, die üblicherweise in Insektiziden, Herbiziden und Flammschutzmitteln verwendet werden, erklärte Cotruvo. Der Trennungsprozess erfordert Dutzende oder sogar Hunderte von Schritten unter Verwendung dieser hochgiftigen Chemikalien, um hochreine einzelne Seltenerdoxide zu erhalten.

„Sie aus dem Fels zu holen, ist ein Teil des Problems, für das es jedoch viele Lösungen gibt“, sagte Cotruvo. „Aber sobald sie draußen sind, stößt man auf ein zweites Problem, denn man muss mehrere Seltene Erden voneinander trennen. Das ist die größte und interessanteste Herausforderung, zwischen den einzelnen Seltenen Erden zu unterscheiden, weil sie sich so ähnlich sind. Das haben wir.“ Wir haben ein natürliches Protein genommen, das wir Lanmodulin oder LanM nennen, und es so verändert, dass es genau das bewirkt.“

Von der Natur lernen

Cotruvo und sein Labor wandten sich an die Natur, um eine Alternative zum herkömmlichen lösungsmittelbasierten Trennverfahren zu finden, da die Biologie bereits seit Jahrtausenden die Kraft seltener Erden erntet und nutzt, insbesondere in einer Bakterienklasse namens „Methylotrophe“, die häufig vorkommt auf Pflanzenblättern sowie im Boden und Wasser und spielen eine wichtige Rolle bei der Art und Weise, wie Kohlenstoff durch die Umwelt transportiert wird.

Vor sechs Jahren isolierte das Labor Lanmodulin aus einem dieser Bakterien und zeigte, dass es in seiner Fähigkeit, Lanthanoide gegenüber gewöhnlichen Metallen wie Kalzium zu binden, unübertroffen – über 100 Millionen Mal besser – war. Durch nachfolgende Arbeiten zeigten sie, dass es in der Lage war, seltene Erden als Gruppe von Dutzenden anderer Metalle in Mischungen zu reinigen, die für traditionelle Methoden zur Gewinnung seltener Erden zu komplex waren. Allerdings konnte das Protein die einzelnen Seltenen Erden weniger gut unterscheiden.

Cotruvo erklärte, dass das Team für die neue, in Nature ausführlich beschriebene Studie Hunderte anderer natürlicher Proteine ​​identifiziert habe, die in etwa wie das erste Lanmodulin aussahen, sich aber auf eines konzentrierten, das so unterschiedlich war (70 % anders), dass sie vermuteten, dass es einige unterschiedliche Eigenschaften haben würde. Dieses Protein kommt natürlicherweise in einem Bakterium (Hansschlegelia quercus) vor, das aus Stieleichenknospen isoliert wird.

Die Forscher fanden heraus, dass das Lanmodulin dieses Bakteriums starke Fähigkeiten zur Unterscheidung seltener Erden aufweist. Ihre Studien zeigten, dass diese Differenzierung auf der Fähigkeit des Proteins beruhte, zu dimerisieren und eine Art Handschlag durchzuführen. Wenn das Protein eines der leichteren Lanthanoide wie Neodym bindet, ist der Handshake (Dimer) stark. Bindet das Protein dagegen an ein schwereres Lanthanid, wie Dysprosium, ist der Handshake viel schwächer, sodass das Protein die Monomerform bevorzugt.

„Das war überraschend, weil diese Metalle eine sehr ähnliche Größe haben“, sagte Cotruvo. „Dieses Protein hat die Fähigkeit, sich in einem Maßstab zu differenzieren, der für die meisten von uns unvorstellbar ist – ein paar Billionstel Meter, ein Unterschied, der weniger als ein Zehntel des Durchmessers eines Atoms ausmacht.“

Feinabstimmung der Seltenerdtrennung

Um den Prozess in solch einem kleinen Maßstab zu visualisieren, arbeiteten die Forscher mit Amie Boal zusammen, Professorin für Chemie, Biochemie und Molekularbiologie an der Penn State University, die Mitautorin des Artikels ist. Boals Labor ist auf eine Technik namens Röntgenkristallographie spezialisiert, die eine hochauflösende molekulare Bildgebung ermöglicht.

Die Forscher stellten fest, dass die Dimerisierungsfähigkeit des Proteins abhängig von dem Lanthanid, an das es gebunden war, auf eine einzelne Aminosäure – 1 % des gesamten Proteins – zurückzuführen war, die eine andere Position als Lanthan einnahm (das wie Neodym ein leichtes Lanthanid ist). ) als mit Dysprosium.

Da diese Aminosäure Teil eines Netzwerks miteinander verbundener Aminosäuren an der Grenzfläche zum anderen Monomer ist, veränderte diese Verschiebung die Interaktion der beiden Proteineinheiten. Wenn eine Aminosäure, die eine Schlüsselrolle in diesem Netzwerk spielt, entfernt wurde, reagierte das Protein viel weniger empfindlich auf die Identität und Größe seltener Erden. Die Ergebnisse enthüllten ein neues, natürliches Prinzip zur Feinabstimmung der Seltenerd-Trennung, das auf der Ausbreitung winziger Unterschiede an der Seltenerd-Bindungsstelle bis zur Dimer-Grenzfläche basiert.

Mit diesem Wissen zeigten ihre Mitarbeiter am Lawrence Livermore National Laboratory, dass das Protein an kleine Kügelchen in einer Säule gebunden werden kann und dass es die wichtigsten Bestandteile von Permanentmagneten, Neodym und Dysprosium, in einem einzigen Schritt bei Raumtemperatur trennen kann und ohne organische Lösungsmittel.

„Obwohl wir keineswegs die ersten Wissenschaftler sind, die erkannt haben, dass die metallempfindliche Dimerisierung eine Möglichkeit zur Trennung sehr ähnlicher Metalle sein könnte, meist mit synthetischen Molekülen“, sagte Cotruvo, „ist dies das erste Mal, dass dieses Phänomen in der Natur beobachtet wurde.“ mit den Lanthanoiden. Das ist Grundlagenwissenschaft mit angewandten Ergebnissen. Wir enthüllen, was die Natur tut, und sie lehren uns, was wir als Chemiker besser machen können.“

Cotruvo glaubt, dass das Konzept der Bindung seltener Erden an einer molekularen Grenzfläche, sodass die Dimerisierung von der genauen Größe des Metallions abhängt, ein wirkungsvoller Ansatz zur Durchführung anspruchsvoller Trennungen sein kann.

„Das ist die Spitze des Eisbergs“, sagte er. „Mit einer weiteren Optimierung dieses Phänomens könnte das schwierigste Problem von allen – die effiziente Trennung seltener Erden, die im Periodensystem direkt nebeneinander stehen – in greifbare Nähe gerückt werden.“

Basierend auf dieser Arbeit hat Penn State einen Patentantrag eingereicht. Das Team weitet derzeit seine Betriebsabläufe aus, verfeinert und rationalisiert das Protein mit dem Ziel, das Verfahren zu kommerzialisieren.

Weitere Co-Autoren von Penn State sind Joseph Mattocks, Jonathan Jung, Chi-Yun Lin, Neela Yennawar, Emily Featherston und Timothy Hamilton. Ziye Dong, Christina Kang-Yun und Dan Park vom Lawrence Livermore National Laboratory waren ebenfalls Co-Autoren des Artikels.