新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)可以幫助檢測(cè)，瞄準(zhǔn)和收集環(huán)境中智能手機(jī)中使用的稀土金屬。賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員的兩項(xiàng)新研究描述了這種蛋白質(zhì)，它與鑭系元素(智能手機(jī)和其他技術(shù)中使用的稀土金屬)的結(jié)合比其他金屬如鈣更好1億倍。第一項(xiàng)研究發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志上，描述了這種蛋白質(zhì)，第二篇論文在線發(fā)表在生物化學(xué)雜志上，描述了它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，它可能在其對(duì)鑭系元素的顯著選擇性中發(fā)揮作用。
“最近，人們對(duì)增加稀土元素如鑭系元素的可及性非常感興趣，鑭系元素用于智能手機(jī)的屏幕和電子產(chǎn)品，混合動(dòng)力汽車(chē)的電池，激光和其他技術(shù)，”Joseph Cotruvo Jr.說(shuō)。賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)助理教授和Louis Martarano職業(yè)發(fā)展教授，兩位研究的作者。“由于稀土元素的物理特性如此相似，特別難以定位和收集。了解這種蛋白質(zhì)如何以極高的選擇性結(jié)合鑭系元素，可以揭示檢測(cè)和靶向這些重要金屬的方法。”
研究小組在細(xì)菌Methylobacterium extorquens中發(fā)現(xiàn)了這種蛋白質(zhì)，它們命名為lanmodulin，它在植物葉子和土壤中生長(zhǎng)，并在碳在環(huán)境中的移動(dòng)方面發(fā)揮重要作用。細(xì)菌需要鑭系元素才能發(fā)揮其某些酶的正常功能，包括幫助細(xì)菌處理碳的酶，這是生長(zhǎng)所必需的。
“這些細(xì)菌需要鑭系元素和其他金屬如鈣來(lái)生長(zhǎng)，”Cotruvo說(shuō)。“他們需要一種從環(huán)境中獲取每種金屬的方法，并確保每種金屬都能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的正確位置?？雌饋?lái)這些細(xì)菌已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)特的方法來(lái)瞄準(zhǔn)環(huán)境中的鑭系元素，它們的豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境中的鑭系元素。其他金屬如鈣。“
Cotruvo與賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)副教授斯科特·施塔爾特(Scott Showalter)實(shí)驗(yàn)室合作確定的這種蛋白質(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以解釋為什么它在結(jié)合鑭系元素方面比鈣更好1億倍。Cotruvo解釋說(shuō)，在沒(méi)有金屬的情況下，蛋白質(zhì)大部分是非結(jié)構(gòu)化的，但是當(dāng)存在金屬時(shí)，它會(huì)將構(gòu)象變成緊湊，明確的結(jié)構(gòu)。
新的緊湊形式包含四個(gè)稱(chēng)為“EF手”的結(jié)構(gòu)。人體細(xì)胞含有許多含有EF手的蛋白質(zhì)，它們參與使用鈣來(lái)發(fā)揮神經(jīng)元放電和肌肉收縮等功能。這些蛋白質(zhì)也與鑭系元素結(jié)合，盡管鑭系元素在人體中不具有生理學(xué)相關(guān)性，并且蛋白質(zhì)結(jié)合鑭系元素的可能性?xún)H比結(jié)合鈣的蛋白質(zhì)高10倍或100倍。蘭可爾林蛋白的緊密結(jié)構(gòu)還在每個(gè)EF指針中的獨(dú)特位置含有稱(chēng)為脯氨酸的氨基酸，這可能有助于蛋白質(zhì)的鑭系元素選擇性。
“目前尚不清楚lanmodulin對(duì)鑭系元素的選擇性機(jī)制，但我們認(rèn)為它歸結(jié)為金屬存在時(shí)發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，”Cotruvo說(shuō)。“這種結(jié)構(gòu)變化對(duì)于蛋白質(zhì)的功能很重要;例如，一些蛋白質(zhì) - 蛋白質(zhì)相互作用可能只在蛋白質(zhì)處于緊密形式時(shí)才會(huì)發(fā)生。需要非常少量的鑭系元素來(lái)誘導(dǎo)構(gòu)象變化，但這需要很多更多的鈣，比細(xì)菌更多，實(shí)際上可以誘導(dǎo)變化。這將有助于確保細(xì)胞內(nèi)鑭系元素的選擇性。“
了解蛋白質(zhì)如何具有選擇性可以為工業(yè)用途的鑭系元素的收集提供見(jiàn)解，包括從采礦廢物流中提取。
“以經(jīng)濟(jì)的方式處理這些稀土元素以稀釋其他金屬是非常具有挑戰(zhàn)性的，”Cotruvo說(shuō)，“兩者都是因?yàn)橄⊥霖S度低且不溶性，需要大量的酸來(lái)保持它們的存在。降低pH值通常會(huì)降低對(duì)金屬的親和力，但我們認(rèn)為這種蛋白質(zhì)具有如此高的親和力，可能有助于克服這些挑戰(zhàn)。我們目前正在研究這種可能性。“
除了探索蛋白質(zhì)的選擇性機(jī)制和獨(dú)特位置氨基酸的功能外，研究團(tuán)隊(duì)還在探索蛋白質(zhì)對(duì)其他金屬的親和力，因?yàn)殍|系元素通常存在于其他金屬中，包括鐵，錳和鋁，更多的豐富。
“我們對(duì)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能也非常感興趣，”Cotruvo說(shuō)。“但最終我們希望了解蛋白質(zhì)將導(dǎo)致更環(huán)保的方式從環(huán)境中獲取稀土金屬。”