Raro aprimorado

Nature volume 618, páginas 87–93 (2023) Citar este artigo

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Os elementos de terras raras tecnologicamente críticos são notoriamente difíceis de separar, devido às suas sutis diferenças no raio iônico e no número de coordenação1,2,3. A proteína natural de ligação aos lantanídeos lanmodulina (LanM)4,5 é uma alternativa sustentável à separação convencional baseada em extração com solvente6. Aqui caracterizamos um novo LanM, de Hansschlegelia quercus (Hans-LanM), com um estado oligomérico sensível ao raio iônico de terras raras, sendo o dímero induzido por lantânio(III) >100 vezes mais rígido que o induzido por disprósio(III). dimer. As estruturas cristalinas de raios-X ilustram como as diferenças em escala de picômetros no raio entre o lantânio (III) e o disprósio (III) são propagadas para a estrutura quaternária de Hans-LanM por meio de um deslocamento de carboxilato que reorganiza uma rede de ligações de hidrogênio da segunda esfera. A comparação com o protótipo LanM de Methylorubrum extorquens revela estratégias distintas de coordenação de metais, racionalizando a maior seletividade de Hans-LanM dentro dos elementos de terras raras. Finalmente, a mutagênese guiada pela estrutura de um resíduo chave na interface do dímero Hans-LanM modula a dimerização em solução e permite a separação baseada em coluna de estágio único de uma mistura de neodímio(III)/disprósio(III) para > 98% de pureza de elemento individual . Este trabalho mostra a diversidade natural de motivos de reconhecimento seletivo de lantanídeos e revela a dimerização sensível a terras raras como um princípio biológico pelo qual ajustar o desempenho de processos de separação baseados em biomoléculas.

Os papéis insubstituíveis dos elementos de terras raras (RE) em tecnologias modernas onipresentes, variando de ímãs permanentes a diodos emissores de luz e fósforos, renovaram o interesse em um dos grandes desafios da ciência da separação - separação eficiente de lantanídeos1. A separação desses 15 elementos é complicada pelas propriedades físico-químicas semelhantes de seus íons predominantes +III, com raios iônicos diminuindo apenas 0,19 Å entre LaIII e LuIII (ref. 7), o que também leva a esses metais co-ocorrendo em RE-rolamento minerais. Os métodos hidrometalúrgicos convencionais de extração líquido-líquido para a produção de RE utilizam solventes orgânicos, como querosene e extratores de fosfonatos tóxicos, e requerem dezenas ou mesmo centenas de estágios para obter óxidos de RE individuais de alta pureza3,8. A ineficiência e o grande impacto ambiental das separações de RE9 estimularam esforços de pesquisa em ligantes alternativos com fatores de separação maiores entre REs10,11,12,13,14 adjacentes e projetos de processos mais ecológicos para alcançar a separação de RE em menos estágios15 e usando química totalmente aquosa6, 16,17,18,19,20.

A descoberta do membro fundador da família LanM de proteínas de ligação aos lantanídeos demonstrou que a natureza desenvolveu macromoléculas superando a seletividade dos quelantes sintéticos do elemento f4. A LanM prototípica, de M. extorquens AM1 (Mex-LanM), é uma proteína monomérica pequena (12-kDa) que sofre uma resposta conformacional seletiva a concentrações picomolares de lantanídeos4,18 e actinídeos21,22,23,24, facilitou compreensão da captação de lantanídeos em metilotróficos25 e tem servido como uma plataforma de tecnologia para detecção de elementos f26, recuperação18,27 e separação6. Excepcionalmente entre os quelantes de RE, o Mex-LanM favorece os REs leves (LREs) maiores e mais abundantes, especialmente LaIII-SmIII, sobre os REs pesados (HREs)4. Nossa recente demonstração de que mesmo substituições únicas nos motivos de ligação de metal de Mex-LanM podem melhorar as separações de actinídeos/lantanídeos23 nos estimulou a investigar se os ortólogos de Mex-LanM podem possuir tendências de seletividade de metal distintas e potencialmente úteis.

Aqui, relatamos que o LanM de Hansschlegelia quercus (Hans-LanM), uma bactéria metilotrófica isolada de botões de carvalho inglês28, exibe maior capacidade de separação de RE em relação ao Mex-LanM. Enquanto Mex-LanM é sempre monomérico, Hans-LanM existe em um equilíbrio monômero/dímero, cuja posição depende do limite RE específico. Três estruturas cristalinas de raios X de LanMs e mutagênese guiada por estrutura explicam o estado oligomérico dependente de RE de Hans-LanM e sua maior capacidade de separação do que Mex-LanM. Por fim, aproveitamos essas descobertas para obter a separação baseada em Hans-LanM de estágio único do par crítico de neodímio/disprósio. Esses resultados ilustram como as interações intermoleculares – comuns em proteínas, mas raras em moléculas pequenas – podem ser exploradas para melhorar as separações de RE.

0.3 µM, the highest concentration accessible in the chelator-buffered titrations). The main response to DyIII occurs at 2.6 nM, >30-fold higher than with the LREs, and with little or no cooperativity (n = 1.3). By contrast, Mex-LanM shows only a modest preference for LREs (about fivefold; Fig. 1e; ref. 4), and all lanthanides and YIII induce similar conformational changes and cooperativity18. Hans-LanM responds to calcium(II) weakly (Kd,app = 60 µM), with the same lack of cooperativity (n = 1.0) and partial conformational change evident with DyIII (Extended Data Fig. 2). Therefore, Hans-LanM discriminates more strongly between LREs and HREs than does Mex-LanM, with the HRE complexes exhibiting lower affinity, lesser cooperativity and a lesser primary conformational change./p>100-fold over DyIII./p>

98% yield; Extended Data Fig. 6). This significantly outperformed the comparable Mex-LanM-based process, which achieved only 50% purity in a first separation stage and required a second stage to obtain >98% purity6. The immobilized R100K variant performed even better, achieving baseline separation of DyIII and NdIII to >98% purity and >99% yield in a single stage (Fig. 4d). The R100K variant's better performance was unexpected and may point to the unlikelihood of functional dimers on the column at this immobilization density (see the caption of Extended Data Fig. 6 for a discussion). Thus, despite substantially improved performance versus Mex-LanM enabled by characterization of Hans-LanM's mechanism of dimerization, fully exploiting the dimerization phenomenon on-column may involve, for example, tethering of two monomers on a single polypeptide chain, which is under investigation./p>

0.05) by two-tailed t-test, suggesting that the hydrogen-bonding network involving Arg100 contributes relatively little to NdIII/HRE selectivity, though it does impact LaIII selectivity significantly (Fig. 4a). All data are shown as mean ± s.d. (a—c) or s.e.m. (d) for data from 3 independent experiments./p>

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