Рятує світ від забруднення: бактерії краще за нас видобувають рідкісноземельні елементи

Дивовижний білок, синтезований певними бактеріями, виявив надзвичайну здатність видобувати та розділяти рідкісноземельні елементи неодим і диспрозій. Ці елементи мають високий попит через їхню життєво важливу роль у вітрових турбінах, електромобілях та смартфонах, що сприяє нагальній потребі в декарбонізаційних рішеннях, пише IFLScience.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Всупереч своїй назві, рідкоземельні елементи не є дефіцитними. Наприклад, неодим посідає 27-е місце за поширеністю в земній корі, випереджаючи ртуть (67-е) і золото (75-е). Кількість неодиму, необхідна для створення потужних магнітів у поєднанні із залізом, відносно невелика, що забезпечує низький ризик виснаження запасів. Однак процес видобутку і переробки цих цінних елементів залишається брудною і дорогою справою.

Дослідники з Університету штату Пенсильванія продемонстрували, що специфічний варіант білка ланмодуліну має здатність розрізняти надзвичайно схожі елементи.

Доктор Джозеф Котруво заявив: "Біологія не тільки відрізняє рідкоземельні елементи від інших металів, але й розрізняє корисні та некорисні рідкоземельні елементи. Ми демонструємо потенційну адаптацію цих підходів для вилучення та розділення рідкісних земель".

Видобуток лантаноїдів, групи, що охоплює більшість рідкісноземельних елементів, є складним завданням через притаманну їм домішку. Окрім того, що лантаноїди змішуються зі звичайними елементами, вони зустрічаються разом у природі, а їхні схожі хімічні властивості перешкоджають ефективному розділенню.

Сучасні методи передбачають повторювані кроки, часто сотні, кожен з яких передбачає використання небезпечних хімічних речовин.

Шість років тому Котруво та його колеги виділили з метилотрофних бактерій білок під назвою ланмодулін. Вони виявили, що ланмодулін має спорідненість до лантаноїдів, яка у понад 100 мільйонів разів перевищує спорідненість до звичайних металів.

Хоча це відкриття мало потенціал, воно не вирішувало найскладнішого аспекту проблеми — розділення суміші з 15 елементів.

Однак встановлено, що ланмодулін належить до сімейства з сотень білків, які дуже схожі один на одного, але виробляються різними бактеріями. Бактерія Hansschlegelia quercus, яку знаходять у бруньках англійського дуба, може розрізняти лантаноїди та успішно відокремлювати їх від інших металів.

Котруво висловив здивування, заявивши: "Це було несподівано, оскільки ці метали схожі за розміром. Цей білок має дивовижну здатність розрізняти в масштабах, немислимих для більшості з нас — різниця в кілька трильйонних часток метра, що становить менш як десята частина діаметра атома".

Прикріпивши білок до бісеру без участі бактерій, дослідницька група успішно продемонструвала його здатність розділяти неодим і диспрозій — два лантаноїди, що використовуються в постійних батареях. Примітно, що цей процес розділення не потребує органічних розчинників або високих температур.

Використовуючи рентгенівську кристалографію, дослідники визначили ключову єдину амінокислоту, відповідальну за диференційоване поводження ланмодуліну з елементами.

"З подальшою оптимізацією цього явища ми можемо отримати ефективне розділення рідкісних земель, які близько розташовані в періодичній таблиці", — прогнозує Котруво.

Окрім екологічних та економічних переваг, це дослідження має значні геополітичні наслідки. Китай наразі домінує у видобутку рідкоземельних елементів не тому, що інші країни не мають покладів, а тому, що вони не можуть терпіти забруднення, пов'язаного з нинішніми методами видобутку.

Раніше Фокус писав, чому для польоту бджоли "обманюють" гравітацію.

А також ми розповідали про унікальний винахід 19 століття. Джордж Меррівезер вирішив перевірити, чи можуть п’явки передбачати погоду. А тому він розробив спеціальний прилад з хитрою конструкцією.