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稀土分離，Nature！| 前沿用戶報道
01 研究背景
稀土元素在現代技術中有著不可替代的作用，如永磁體、發光二極管和熒光粉等都離不開稀土元素。高效分離稀土元素是分離科學的重大挑戰之一，因稀土元素主要的+III離子具有相似的物理化學性質。LaIII?和 LuIII?之間的離子半徑僅相差 0.19 ?，這也導致這些金屬在含稀土礦物中共存。傳統的濕法冶金液液萃取稀土生產方法使用有機溶劑，如煤油和有毒的磷酸鹽萃取劑，需要數十個甚至數百個過程才能獲得高純度的單組分稀土氧化物。稀土分離的低效和對環境的巨大影響促使人們努力研究在相鄰稀土之間具有更大分離系數的替代配體和更綠色的工藝設計，以實現用更少的工藝過程來分離稀土。天然的與稀土元素結合的蘭姆素二聚體(LanM)是傳統溶劑萃取法分離的一種可持續替代方法。
▲第一作者：Joseph A. Mattocks
通訊作者：Dan M. Park，Amie K. Boal，Joseph A. Cotruvo Jr
通訊單位：?美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，美國帕克大學，美國賓夕法尼亞州立大學
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05945-5
02 研究問題
本研究描述了一個新的 LanM，來自 Hansschlegelia quercus (Hans-LanM) ，具有對稀土離子半徑敏感的低聚態，La(III) 誘導的二聚體比 Dy(III) 誘導的二聚體緊密 100 倍以上。X射線晶體結構說明了 La(III)和Dy(III) 之間在半徑上的皮米級差異是如何通過重新排列第二球狀氫鍵網絡的羧酸鹽位移傳播到 Hans-LanM 的四元結構中的。與甲基紫羅蘭的原型相比，本研究揭示了不同的金屬配位策略，合理地解釋了 Hans-LanM 在稀土元素中更大的選擇性。最后，Hans-LanM 二聚體界面上關鍵殘基的結構引導突變調節了溶液中的二聚作用，并使單級柱基分離釹(III)/鏑(III)混合物達到>98% 的單元素純度。這項工作展示了選擇性稀土元素識別基序的自然多樣性，并揭示了稀土敏感的二聚作用作為調節基于生物分子的分離過程的性能的生物學原理。
▲圖1|?Hans-LanM 與 Mex-LanM 在序列和 RE 與 RE 選擇性上的差異
要點：
01
本研究使用兩個標準和 <200 個殘基的序列長度搜索序列數據庫，鑒定出 696 個推測的 LanM。使用序列相似性網絡對這些序列進行可視化，以鑒定與Mex-LanM 分開聚集的 LanM 序列。值得注意的是，在 65% 的同一性閾值下，形成了一小群遠離642 個序列的主簇(圖1a)。這個獨有的簇( Hans 簇)包括來自幾個屬的細菌，包括漢氏桿菌和黃桿菌，所有這些細菌都是兼性甲基營養細菌。
02
Hans-LanM 與 Mex-LanM 的序列同源性較低(33%)，并且 EF-Hand 基序存在差異，特別是在第一、第二和第九位(圖1b)，這些位置是 Mex-LanM 和其他 EF-Hand 蛋白的重要位置。因此，Hans-LanM 提供了一個機會來確定在 LanM 中選擇性識別稀土元素所必需的特征。
03
Hans-LanM 在大腸桿菌中表達為 110 個氨基酸的蛋白質。LaIII?和 NdIII?被選為具有代表性的 LRE，DyIII?被選為具有代表性的HRE進行絡合研究。通過電感耦合等離子體質譜，該蛋白質與大約三個等量的LaIII?和 NdIII?結合，而 DyIII?略少)，Mex-LanM 也是如此。同樣與 Mex-LanM 一樣，Hans-LanM 在沒有金屬的情況下表現出很少的螺旋含量，由? 222?nm ?處的圓二向色性信號判斷(圖1c)。出乎意料的是，只有兩個 LaIII?或 DyIII?的等價物足以引起Hans-LanM 的完全構象變化，這表明第三個結合等價物是弱的，不會增加螺旋度。
04
本研究用圓二色譜測定的表觀離解常數(Kd，app)反映了競爭稀土回收條件下 Mex-LanM 的 Re vs. RE，以及 RE vs. 非 RE 的選擇性。因此，類似的Kd，app?的測定與由競爭性絡合劑控制的游離金屬濃度適用于 Hans-LanM，其結果(圖1d)與 Mex-LanM 的結果不同。LaIII?和 NdIII?與 HANS-LAM 的結合使其在 222?nm 處的摩爾橢圓度增加了 2.3 倍，這一完全構象變化在化學計量滴定中很明顯。構象變化是協同的， Kd，app?值相似，分別為 68 和 91?pm。
▲圖2| 一個對 LRE 和 HRE 或非稀土配位敏感的二聚平衡
要點：
01
為了進一步支持在生理上相關的 LRE 存在下的優先二聚反應，本研究用多角度光散射分析了 Hans-LanM 的稀土配合物(MALS；圖2a)。LaIII、NdIII和GdIII絡合物的 MW 為 22-25?kDa，表明其是二聚體，但 MW 從 Tb?III?開始下降，繼續到 DyIII 和 HoIII，約為 15?kDa ，這與 SEC 的數據一致。與 CaII?結合的Hans-LanM 也表明 MW 為 14.7 kDa。
02
Hans-LanM 與 LaIII?絡合物的 1.8 ? 分辨率X射線晶體結構證實了 LRE 誘導的二聚化。兩個 LanM 單體頭尾相互作用(圖2b)，通過疏水和極性接觸掩埋了約600??2?的表面積(圖2c，d)。這些相互作用主要發生在核心螺旋? α1 (EF1和EF2之間)和α2(EF3和EF4之間)貢獻的側鏈之間。二聚體界面上的殘基只與四個金屬結合位點中的一個 EF3 直接接觸；每個單體中的三個 EF3 殘基與另一個單體的 Arg100 形成氫鍵網絡(圖2c)，這表明該位點的占位和配位幾何可能控制低聚物的狀態。
▲圖3|?Hans-LanM 使用擴展的氫鍵網絡來控制鑭系元素選擇性
要點：
01
一個單齒 Asn(N1位)、四個雙齒 Asp 或 Glu 殘基(D3、D5、E9和E12)和一個主鏈羰基(T7或S7)形成了EF1-3(圖3a)中的第一個配位球。沒有觀察到外源的溶劑配體；EuIII-Hans-LanM 的發光研究確定了配位的溶劑分子的數量(q)，得到了 q?=?0.11，這與 X 射線結構中沒有溶劑配體是一致的。
02
Mex-LanM 和 Hans-LanM 的金屬結合部位有很大不同。在 Mex-LanM，所有四個 EF 手形都被九坐標(EF1-3) 或十坐標 (EF4)NdIII?離子占據，每個離子都包括兩個溶劑配體，在 Hans-LanM 中則不存在(圖3b)。
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▲圖4|利用Hans-LanM在單步流程中分離Nd/Dy
要點：
01
Hans-LanM 的 LRE 和 HRE 絡合物在穩定性和結構上的差異表明，Hans-LanM (野生型和/或R100K)在稀土/稀土分離方面將優于 Mex-LanM。本研究專注于分離用于永磁體的稀土對 NdIII?和 DyIII。首先分析了野生型 Hans-LanM 和 Hans-LanM(R100K) 稀土絡合物對檸檬酸鹽的穩定性，檸檬酸鹽以前與 Mex-LanM 一起用作解吸劑。RE-Hans-LanM 絡合物對檸檬酸鹽的穩定性一般不如 Mex-LanM，這是在親和力較低的基礎上是可預期的(圖1e)，但 NdIII-Hans-LanM 和 DyIII-Hans-LanM 絡合物之間的穩定性差異表示為每種金屬([檸檬酸鹽]1/2)解吸所需的檸檬酸鹽濃度的比率，該數據由 Hans-LanM 的兩個 Trp 殘基的熒光結果報告，最終發現其比 Mex-LanM 絡合物的穩定性大兩倍(圖4a)。
02
Mex-LanM 和 Hans-LanM 的金屬結合部位有很大不同。在 Mex-LanM，所有四個 EF 手形都被九坐標(EF1-3)或十坐標 (EF4)NdIII?離子占據，每個離子都包括兩個溶劑配體，在 Hans-LanM 中則不存在(圖3b)。
03
Hans-LanM 和 R100K 在 La-Gd 范圍內表現出類似的分離能力--盡管 R100K 在 Gd-Dy 范圍內表現出更強的分離能力--這由混合稀土溶液在平衡時的柱上分配比(D)確定(圖4c)。這些 Nd/Dy 分離因子幾乎是Mex-LanM的兩倍(Hans-LanM)和三倍(Hans-LanM(R100K))。固定化的 Hans-LanM 用5% 的鏑和 95% 的釹的模型電子廢物混合物加載到最大容量的 90%，并在圖 4b 的指導下，用逐步的丙二酸梯度洗脫，然后用 pH?1.5 HCl 完全解吸。在單級提純過程中，Dy 的純度從5%提高到83%，而 Nd 的純度達到99.8%(收率均>98%)。
03 結語
Hans-LanM 對金屬敏感的二聚化機制的生化和結構表征為LRE和HRE在生物學上的選擇性提供了一種新的變構機制，擴展了最近從合成的稀土絡合物和工程的過渡金屬結合蛋白中出現的依賴二聚體的金屬識別的概念，并表明這些原理是自然界固有的。
本研究還表明二聚強度及金屬的選擇性可以合理地調控。Hans-LanM 在更接近本研究生化分析中的濃度(10-20?μM)而不是柱上的濃度(約3?mm)的條件下進行了低稀土選擇性二聚反應。因此，通過將二聚敏感性轉移到較高濃度區域，例如通過調節二聚界面上的疏水相互作用，將有助于在分離過程中利用二聚。
此外，本研究表明，低至33%同一性的LanM很容易預測，但在金屬選擇性方面有有用的差異；進一步挖掘這種多樣性可能會揭示出調整稀土分離的額外機制。最后，不含溶劑的 Hans-LanM 配位球在稀土/錒系元素的分離、基于發光的傳感和穩定易水解離子方面應該優于 Mex-LanM。對生物 f 元素識別的配位和超分子原理的持續表征將激勵設計具有比 RE 更高選擇性的配體，并將其應用于新的 RE 分離過程。
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