Über die Moleküle von Mutter Natur hinausgehen, um radioaktive Metalle anzugreifen

Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und Mitarbeiter an der Penn State University verbessern natürliche Moleküle, die dabei helfen würden, auf bestimmte radioaktive Elemente abzuzielen, die in Atommüll gefunden oder in der Nuklearmedizin verwendet werden.

Selbst die wirksamsten in der Natur vorkommenden Moleküle, die Milliarden von Jahren der Evolution unterzogen wurden, können immer noch für nicht-natürliche Anwendungen verbessert werden. Das Team hat das wirksamste Protein der Natur (Lanmodulin) für Lanthanide – natürliche Elemente, die in zahlreichen Gegenständen wie Computerfestplatten und Magneten verwendet werden – biotechnologisch verändert, um es noch selektiver für Aktiniden-Elemente zu machen. Aktinide sind radioaktive Metalle, die in Atommüll vorhanden sind, wie Uran, Plutonium und Americium.

Die Forschung erscheint in der Zeitschrift Chemische Wissenschaft. Die Ergebnisse verbessern das Verständnis darüber, wie natürliche Verbindungen mit Atommüll in der Umwelt interagieren können, und könnten zu neuen Molekülen zum Auffangen und Nachweisen bestimmter radioaktiver Metalle führen.

Das Team entwarf, synthetisierte und charakterisierte strategisch fünf Varianten von Lanmodulin (LanM), um seine Actinid-bindenden Eigenschaften zu entschlüsseln und schließlich zu verbessern. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass die Anwesenheit von Wassermolekülen, die das Metall- und Proteinmolekül verbrücken, besonders wichtig ist, um die Stabilität und Metallpräferenzen der Metall-Protein-Komplexe zu kontrollieren. Dieses Konstruktionsprinzip ermöglichte es den Wissenschaftlern, die Fähigkeit des Proteins zu verbessern, zwischen Actiniden- und Lanthanidenelementen zu unterscheiden.

Moleküle, die für Actiniden gegenüber Lanthaniden selektiv sind, gehören zu den begehrtesten, da diese beiden Familien von Elementen in Atommüll vorkommen und ihre Trennung eine effizientere Handhabung radioaktiver Materialien ermöglichen würde. Die Entdeckung des Teams könnte zu drastisch neuen Trennsystemen für Anwendungen in den Bereichen Atommüll und Radiochemie führen. LanM wurde 2018 von den Mitgliedern des Teams der Penn State entdeckt, und die LLNL-Penn State-Kollaboration hat Anwendungen dieses unvergleichlichen natürlichen Moleküls auf dem Gebiet der Nuklearwissenschaften untersucht.

„Dies ist die erste Studie, in der jemand Änderungen an Lanmodulin vorgenommen hat, um seine Metallbindungseigenschaften zu zerlegen und zu verbessern“, sagte LLNL-Wissenschaftler Gauthier Deblonde, einer der Hauptautoren der Studie. „Als wir die Eigenschaften des Proteins auf radioaktive Elemente abstimmten, lernten wir auch viel über die Mechanismen, mit denen es die Metalle bindet.“

Während klassische Moleküle eine begrenzte Anzahl chemischer Wechselwirkungen haben, zeigten die neuen Forschungsergebnisse, dass Makromoleküle wie Proteine ​​ein erweitertes Repertoire an chemischen Wechselwirkungen haben, die Wissenschaftler feinabstimmen können, um auf bestimmte Metalle abzuzielen.

„Diese Studie deckt ein weiteres Werkzeug auf, das diesem bemerkenswerten Protein zur Verfügung steht, um zwischen Metallen zu unterscheiden, die sich nur auf sehr subtile Weise voneinander unterscheiden. Diese Erkenntnis ist ein wichtiger Schritt in Richtung hochleistungsfähiger LanM-basierter Trennmethoden und maßgeschneiderter Moleküle bestimmte medizinische Isotope zu binden“, sagte Joseph Cotruvo, Jr., Assistenzprofessor für Chemie an der Penn State University und einer der Hauptautoren der Studie.