Спасает мир от загрязнения: бактерии лучше нас добывают редкоземельные элементы
Ученые сделали революционное открытие белка ланмодулина, обладающего уникальной способностью добывать и разделять редкоземельные элементы, открывая двери к более чистым технологиям. Редкоземельные элементы имеют решающее значение для ветровых турбин, электромобилей и смартфонов, а спрос на них стремительно растет.
Удивительный белок, синтезированный определенными бактериями, обнаружил чрезвычайную способность извлекать и разделять редкоземельные элементы неодим и диспрозии. Эти элементы пользуются высоким спросом из-за их жизненно важной роли в ветровых турбинах, электромобилях и смартфонах, что способствует неотложной потребности в декарбонизационных решениях, пишет IFLScience.
В Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и увлекательные новости из мира науки!
Вопреки своему названию, редкоземельные элементы не являются дефицитными. Например, неодим занимает 27-е место по распространенности в земной коре, опережая ртуть (67-е) и золото (75-е). Количество неодима, необходимое для создания мощных магнитов в сочетании с железом, относительно невелико, что обеспечивает низкий риск истощения запасов. Однако процесс добычи и переработки этих ценных элементов остается грязным и дорогостоящим делом.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания продемонстрировали, что специфический вариант белка ланмодулина обладает способностью различать чрезвычайно похожие элементы.
Доктор Джозеф Котруво заявил: "Биология не только отличает редкоземельные элементы от других металлов, но и различает полезные и неполезные редкоземельные элементы. Мы демонстрируем потенциальную адаптацию этих подходов для извлечения и разделения редких земель".
Добыча лантаноидов, группы, охватывающей большинство редкоземельных элементов, является сложной задачей из-за присущей им примеси. Кроме того, что лантаноиды смешиваются с обычными элементами, они встречаются вместе в природе, а их схожие химические свойства препятствуют эффективному разделению.
Современные методы предусматривают повторяющиеся шаги, часто сотни, каждый из которых предусматривает использование опасных химических веществ.
Шесть лет назад Котруво и его коллеги выделили из метилотрофных бактерий белок под названием ланмодулин. Они обнаружили, что ланмодулин имеет сродство к лантаноидам, которое более чем в 100 миллионов раз превышает сродство к обычным металлам.
Хотя это открытие имело потенциал, оно не решало самого сложного аспекта проблемы — разделения смеси из 15 элементов.
Однако было установлено, что ланмодулин принадлежит к семейству из сотен белков, которые очень похожи друг на друга, но производятся разными бактериями. Бактерия Hansschlegelia quercus, которую находят в почках английского дуба, может различать лантаноиды и успешно отделять их от других металлов.
Котруво выразил удивление, заявив: "Это было неожиданно, поскольку эти металлы похожи по размеру. Этот белок обладает удивительной способностью различать в масштабах, немыслимых для большинства из нас — разница в несколько триллионных долей метра, что составляет менее десятой части диаметра атома".
Прикрепив белок к бисеру без участия бактерий, исследовательская группа успешно продемонстрировала его способность разделять неодим и диспрозий — два лантаноида, используемых в постоянных батареях. Примечательно, что этот процесс разделения не требует органических растворителей или высоких температур.
Используя рентгеновскую кристаллографию, исследователи определили ключевую единственную аминокислоту, ответственную за дифференцированное поведение ланмодулина с элементами.
"С дальнейшей оптимизацией этого явления мы можем получить эффективное разделение редких земель, близко расположенных в периодической таблице", — прогнозирует Котруво.
Кроме экологических и экономических преимуществ, это исследование имеет значительные геополитические последствия. Китай сейчас доминирует в добыче редкоземельных элементов не потому, что другие страны не имеют залежей, а потому, что они не могут терпеть загрязнения, связанного с нынешними методами добычи.
Ранее Фокус писал, почему для полета пчелы "обманывают" гравитацию.
А также мы рассказывали об уникальном изобретении 19 века. Джордж Мерривезер решил проверить, могут ли пиявки предсказывать погоду. Поэтому он разработал специальный прибор с хитрой конструкцией.