Une protéine récemment découverte abrite naturellement un site de liaison inhabituel qui peut différencier les éléments des terres rares, et les chercheurs de Penn State l’ont encore amélioré. Les éléments des terres rares sont des composants clés utilisés dans tout, de la technologie moderne à la production d’essence. La protéine, appelée LanD, enrichit le néodyme et le praséodyme par rapport à d’autres éléments de terres rares (REE) similaires et a le potentiel de révolutionner l’exploitation minière industrielle, ont déclaré les chercheurs.
Des scientifiques de Penn State, dirigés par le professeur de chimie Joseph Cotruvo, Jr., ont récemment publié leur découverte de la Terre dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Chaque élément des terres rares possède des propriétés spécifiques qui le rendent utile pour différentes applications, mais ils sont notoirement difficiles à séparer les uns des autres », a déclaré Cotruvo, qui a déposé une demande de brevet liée à ses travaux. « Les méthodes industrielles actuelles sont inefficaces et nécessitent une utilisation intensive de produits chimiques toxiques. Une méthode basée sur les protéines pour l’extraction des terres rares pourrait donc rendre ce processus plus efficace, plus écologique et moins coûteux. »
Près de 80 % de l’approvisionnement en ETR des États-Unis est importé, selon la Commission du commerce international des États-Unis. Cotruvo a expliqué qu’il existe de nombreuses matières premières nationales, y compris le recyclage des anciennes technologies et des sous-produits industriels, pour s’approvisionner en ETR, mais que tous les ETR n’ont pas la même valeur et la même application.
Une approche de séparation plus efficace pourrait contribuer à garantir un approvisionnement national en ETR. Les 17 ETR, dont 15 métaux appelés « lanthanides », sont communément divisés en groupes « légers » et « lourds », les ETR légers étant bien plus abondants. Malheureusement, les ETR légers les plus courants, le lanthane et le cérium, ont peu de valeur, alors que les autres ETR légers, le praséodyme et (en particulier) le néodyme, ont beaucoup plus de valeur.
Le néodyme est un composant essentiel des aimants permanents utilisés dans les smartphones et les machines à énergie renouvelable comme les éoliennes, et le praséodyme est souvent associé au néodyme pour ces applications.
Le laboratoire de Cotruvo a précédemment identifié une autre protéine, LanM, qui se lie à tous les ETR avec une spécificité élevée par rapport à tout autre métal. Il le fait d’une manière similaire à un mécanisme de serrure et de clé, la protéine étant la serrure et le REE une clé. Lorsque la protéine se lie à un ETR, celui-ci subit un changement de forme analogue à la clé qui tourne dans la serrure. Les protéines LanM étudiées jusqu’à présent sont très efficaces pour différencier les ETR lourds, mais elles ne parviennent pas à séparer les ETR légers, à la manière d’un trou de serrure qui s’adapte à quelques clés différentes.
La protéine LanD récemment découverte a cependant amélioré les capacités de séparation entre les ETR légers, qui sont aussi bonnes, sinon meilleures, que les pratiques actuelles de l’industrie, a déclaré Cotruvo. Grâce à un site de liaison unique et inédit, où la « clé » métallique peut se verrouiller dans la protéine, les capacités naturelles de séparation des terres rares de Land peuvent être conçues pour être encore plus efficaces, offrant ainsi un nouvel espoir pour une industrie minière des éléments de terres rares plus verte, dit-il.
« Les efforts actuels se concentrent sur l’optimisation de la séparation des ETR afin de la rendre moins gourmande en main d’œuvre et en matériaux », a déclaré Cotruvo. « Mais cet organisme, Méthylobacterium extorquens, une bactérie présente en abondance dans la nature, fabrique des protéines qui semblent avoir déjà résolu le problème. »
Méthylobacterium extorquens est une espèce de bactérie connue pour sa capacité à se développer sur des composés à un seul carbone comme le méthanol, et préfère utiliser des ETR spécifiques, principalement du lanthane et du cérium, pour soutenir cette croissance.
Lorsque Cotruvo a découvert LanM comme première protéine de liaison aux ETR à haute affinité et haute spécificité, il n’était pas clair pourquoi LanM devait se lier si étroitement aux ETR dans la cellule. La découverte de LanD a suggéré une réponse à cette question : les deux protéines fonctionnent en tandem, LanD se liant aux lanthanides que la bactérie absorbe mais n’a pas besoin et les livrant à LanM, où ils sont séquestrés. Ces lanthanides, bien que sans importance pour les bactéries, sont ceux qui sont les plus importants pour la production technologique, a déclaré Cotruvo.
« La bactérie peut absorber un groupe de lanthanides plus large que le petit sous-ensemble qu’elle préfère utiliser, elle a donc besoin d’un moyen d’empêcher ces lanthanides indésirables d’interférer avec les fonctions des lanthanides souhaitables dans la cellule », a déclaré Cotruvo. « LanD et LanM semblent travailler ensemble pour effectuer ce tri, ce qui explique pourquoi la protéine LanM précédemment identifiée est efficace pour les séparations des lanthanides en général. »
Il a ajouté que LanD, avec son site de liaison unique, est bien meilleur pour les ETR légers en particulier.
« LanD se lie mieux au néodyme, qui est de loin le plus précieux des ETR légers », a déclaré Cotruvo. « Bien que la protéine LanD naturelle présente une préférence pour le néodyme, nous l’avons repensée pour pouvoir extraire plus efficacement le néodyme d’une solution mixte de terres rares légères, défavorisant ainsi les autres terres rares de moindre valeur. »
Les chercheurs ont découvert que l’ingénierie du site de liaison LanD permet aux séparations produisant le néodyme et le praséodyme souhaités de devenir beaucoup plus efficaces. Dans les applications futures, les chercheurs ont déclaré qu’ils espéraient pouvoir réduire la taille de la protéine et augmenter encore plus la préférence de ce site de liaison, et l’implémenter dans une séparation à plus grande échelle. Le site peut servir de point de départ aux chimistes et aux ingénieurs pour développer des protéines hautement spécifiques afin de perfectionner le tri d’autres éléments difficiles à séparer, a déclaré Cotruvo.
De plus, étant donné que LanD et LanM sont spécialisés dans la séparation de différents ETR, ils pourraient être utilisés ensemble dans un processus visant à séparer des sources d’ÉTR complexes comme les minerais.
« La protéine LanD est un moyen prometteur d’améliorer les pratiques de séparation des ETR », a-t-il déclaré. « Et nous travaillons à l’améliorer encore, afin d’ouvrir la voie à une exploitation minière des terres rares plus efficace et plus écologique. »
Les co-auteurs de l’article comprennent Wyatt Larrinaga et Jonathan Jung, étudiants diplômés en chimie ; Chi-Yun Lin, chercheur postdoctoral en chimie ; et Amie Boal, professeur de chimie et de biochimie et biologie moléculaire.
Plus d’informations :
Wyatt B. Larrinaga et al, Dimérisation modulante centrée sur les métaux d’une protéine chaperon de lanthanide pour la séparation des lanthanides légers, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2410926121