레어 강화

Nature 618권, 87~93페이지(2023)이 기사 인용

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기술적으로 중요한 희토류 원소는 이온 반경과 배위수1,2,3의 미묘한 차이로 인해 분리하기가 매우 어렵습니다. 천연 란타나이드 결합 단백질인 란모듈린(LanM)4,5은 기존의 용매 추출 기반 분리6에 대한 지속 가능한 대안입니다. 여기서 우리는 희토류 이온 반경에 민감한 올리고머 상태를 갖는 Hansschlegelia quercus(Hans-LanM)의 새로운 LanM을 특성화합니다. 란타늄(III) 유도 이량체는 디스프로슘(III) 유도보다 100배 이상 더 단단합니다. 이량체. X선 결정 구조는 란타늄(III)과 디스프로슘(III) 사이의 반경의 피코미터 규모 차이가 두 번째 구 수소 결합 네트워크를 재배열하는 카르복실산염 이동을 통해 Hans-LanM의 4차 구조로 어떻게 전파되는지 보여줍니다. Methylorubrum extorquens의 프로토타입 LanM과의 비교는 독특한 금속 배위 전략을 보여주며 희토류 원소 내에서 Hans-LanM의 더 큰 선택성을 합리화합니다. 마지막으로 Hans-LanM 이량체 인터페이스에서 주요 잔류물의 구조 유도 돌연변이 유발은 용액의 이량체화를 조절하고 네오디뮴(III)/디스프로슘(III) 혼합물의 단일 단계 컬럼 기반 분리를 >98% 개별 원소 순도까지 가능하게 합니다. . 이 연구는 선택적 란타넘족 인식 모티프의 자연적 다양성을 보여주고, 생체분자 기반 분리 공정의 성능을 조정하는 생물학적 원리로서 희토류 민감성 이량체화를 보여줍니다.

영구 자석부터 발광 다이오드 및 형광체에 이르기까지 유비쿼터스 현대 기술에서 희토류(RE) 원소의 대체할 수 없는 역할은 분리 과학의 가장 큰 과제 중 하나인 란탄족 원소의 효율적인 분리에 대한 관심을 다시 불러일으켰습니다1. 이들 15개 원소의 분리는 LaIII와 LuIII 사이에서 이온 반경이 0.19Å만 감소하는 주요 +III 이온의 유사한 물리화학적 특성으로 인해 복잡해지며(참조 7), RE 함유에서 이러한 금속이 동시에 발생하게 됩니다. 탄산수. RE 생산을 위한 기존의 습식 제련 액체-액체 추출 방법은 등유 및 독성 포스포네이트 추출제와 같은 유기 용매를 사용하며 고순도 개별 RE 산화물을 달성하려면 수십 또는 수백 단계가 필요합니다3,8. RE 분리의 비효율성과 큰 환경 영향9은 인접한 RE10,11,12,13,14 사이에 더 큰 분리 계수를 갖춘 대체 리간드에 대한 연구 노력을 자극했으며 더 적은 단계에서15 전체 수성 화학을 사용하여 RE 분리를 달성하기 위한 보다 친환경적인 공정 설계를 제공했습니다6, 16,17,18,19,20.

란타나이드 결합 단백질의 LanM 계열의 창립 구성원의 발견은 자연이 합성 f-원소 킬레이터의 선택성을 능가하는 거대분자를 진화시켰다는 것을 입증했습니다4. M. extorquens AM1(Mex-LanM)의 프로토타입 LanM은 피코몰 농도의 란타나이드4,18 및 악티니드21,22,23,24에 대한 선택적 구조적 반응을 겪는 작은(12-kDa) 단위체 단백질입니다. 메틸로트로프(methylotrophs)의 란탄족 흡수에 대한 이해를 바탕으로 f 요소 검출(26), 회수(18,27) 및 분리(6)를 위한 기술 플랫폼 역할을 해왔습니다. 비정상적으로 RE 킬레이트제 중에서 Mex-LanM은 무거운 RE(HRE)4보다 더 크고 풍부한 가벼운 RE(LRE), 특히 LaIII-SmIII를 선호합니다. Mex-LanM의 금속 결합 모티프에 대한 단일 대체만으로도 악티나이드/란타나이드 분리를 향상시킬 수 있다는 최근 시연을 통해 우리는 Mex-LanM의 오쏘로그가 뚜렷하고 잠재적으로 유용한 금속 선택성 추세를 가질 수 있는지 여부를 조사하게 되었습니다.

여기에서 우리는 영국 참나무 새싹에서 분리된 메틸영양 박테리아인 Hansschlegelia quercus(Hans-LanM)의 LanM이 Mex-LanM에 비해 향상된 RE 분리 능력을 나타냄을 보고합니다. Mex-LanM은 항상 단량체인 반면, Hans-LanM은 단량체/이량체 평형 상태로 존재하며 그 위치는 특정 RE 결합에 따라 달라집니다. LanM의 세 가지 X선 결정 구조와 구조 유도 돌연변이 유발은 Hans-LanM의 RE 의존 올리고머 상태와 Mex-LanM보다 더 큰 분리 능력을 설명합니다. 마지막으로, 우리는 이러한 발견을 활용하여 중요한 네오디뮴/디스프로슘 쌍의 단일 단계 Hans-LanM 기반 분리를 달성합니다. 이러한 결과는 단백질에서는 일반적이지만 소분자에서는 드문 분자간 상호 작용을 활용하여 RE 분리를 개선할 수 있는 방법을 보여줍니다.

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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