یک پروتئین تازه کشف شده به طور طبیعی دارای یک محل اتصال غیرمعمول است که می‌تواند عناصر خاکی کمیاب را از هم تمیز دهد و محققان دانشگاه پن استیت آن را حتی بهتر کرده‌اند. عناصر خاکی کمیاب اجزای کلیدی هستند که در همه زمینه ها از فناوری مدرن تا تولید بنزین استفاده می‌شوند. این پروتئین که LanD نامیده می‌شود، نئودیمیم و پراسئودیمیم را نسبت به سایر عناصر خاکی کمیاب مشابه غنی می‌کند و به گفته محققان، پتانسیل انقلابی در معدن‌کاری صنعتی دارد.
دانشمندان دانشگاه پن استیت به رهبری پروفسور شیمی جوزف کاتروو جونیور، اخیراً کشف LanD خود را در مجله “ Proceedings of the National Academy of Sciences” منتشر کرده‌اند.
هر عنصر خاکی کمیاب دارای خواص خاصی است که آن را برای کاربردهای مختلف مفید می‌سازد، اما جداسازی آنها از یکدیگر به طرز بدنامی دشوار است.
کاتروو گفت که یک درخواست ثبت اختراع مرتبط با این کار را ارائه کرده است. «روش‌های صنعتی فعلی ناکارآمد هستند و نیاز به استفاده زیاد از مواد شیمیایی سمی دارند، بنابراین یک روش مبتنی بر پروتئین برای استخراج عناصر خاکی کمیاب می‌تواند این فرآیند را کارآمدتر، سبزتر و ارزان‌تر کند.»
پروفسور شیمی دانشگاه پن استیت، جوزف کاتروو جونیور، و دانشجوی تحصیلات تکمیلی، وونسئوک چوی، در حال تحقیق بر روی روش‌هایی برای جداسازی عناصر نادر زمین با استفاده از پروتئین‌های باکتریایی مهندسی‌شده‌ای هستند که در طبیعت یافت می‌شوند. اعتبار: میشل بیکسبی/پن استیت
طبق گزارش کمیسیون تجارت بین‌المللی ایالات متحده، نزدیک به ۸۰٪ از تأمین عناصر خاکی کمیاب (REE) ایالات متحده وارداتی است. کاتروو توضیح داد که مواد خام داخلی فراوانی وجود دارد، از جمله بازیافت فناوری‌های قدیمی و محصولات جانبی صنعتی برای تأمین REEها، اما همه REEها از نظر ارزش و کاربرد برابر نیستند.
یک روش جداسازی مؤثرتر می‌تواند به تأمین ملی عناصر خاکی کمیاب (REE) کمک کند. ۱۷ عنصر خاکی کمیاب، شامل ۱۵ فلز به نام «لانتانیدها»، معمولاً به دو گروه «سبک» و «سنگین» تقسیم می‌شوند، که عناصر خاکی کمیاب سبک بسیار فراوان‌تر هستند. با این حال متأسفانه رایج‌ترین عناصر خاکی کمیاب سبک لانتانوم و سریم ارزش کمی دارند، در حالی که سایر عناصر خاکی کمیاب سبک، پراسئودیمیم و به ویژه نئودیمیم، بسیار با ارزش‌تر هستند.
نئودیمیم یک جزء حیاتی از آهنرباهای دائمی است که در گوشی‌های هوشمند و ماشین‌آلات انرژی تجدیدپذیر مانند توربین‌های بادی استفاده می‌شود و پراسئودیمیم اغلب برای این کاربردها با نئودیمیم ترکیب می‌شود.
با این حال، پروتئین تازه کشف شده LanD دارای توانایی‌های جداسازی بهبود یافته‌ای در میان عناصر خاکی کمیاب سبک است که به گفته کاتروو، به خوبی یا حتی بهتر از روش‌های صنعتی فعلی عمل می‌کند. با داشتن یک محل اتصال منحصر به فرد و بی‌سابقه جایی که «کلید» فلزی می‌تواند در پروتئین قفل شود، توانایی‌های طبیعی جداسازی REE پروتئین LanD می‌تواند به گونه‌ای مهندسی شود که حتی کارآمدتر باشد و امید جدیدی برای صنعت استخراج عناصر خاکی کمیاب سبزتر ارائه دهد.
کاتروو گفت: «تلاش‌های فعلی بر بهینه‌سازی جداسازی عناصر خاکی کمیاب (REE) متمرکز است تا آن را کمتر نیازمند کار و مواد کند.»
«اما این ارگانیسم، Methylobacterium extorquens، یک باکتری که به وفور در طبیعت یافت می‌شود، پروتئین‌هایی تولید می‌کند که به نظر می‌رسد قبلاً این مشکل را حل کرده‌اند.»
Methylobacterium extorquens گونه‌ای از باکتری‌ها است که به دلیل توانایی رشد بر روی ترکیبات تک‌کربنه مانند متانول شناخته شده است و ترجیح می‌دهد از عناصر خاکی کمیاب خاصی، عمدتاً لانتانوم و سریم، برای حمایت از این رشد استفاده کند.
هنگامی که کاتروو شش سال پیش LanM را به عنوان اولین پروتئین با اتصال بالا و دقت بالا به عناصر خاکی کمیاب (REE) کشف کرد، مشخص نبود که چرا LanM نیاز دارد تا این عناصر را به این شدت در سلول متصل کند. کشف LanD پاسخی به این سوال پیشنهاد داد: این دو پروتئین به صورت همزمان کار می‌کنند، به طوری که LanD به لانتانیدهایی که باکتری جذب می‌کند اما به آنها نیاز ندارد متصل می‌شود و آنها را به LanM تحویل می‌دهد، جایی که آنها جدا می‌شوند. این لانتانیدها، در حالی که برای باکتری مهم نیستند، برای تولید فناوری بسیار مهم هستند.
کاتروو گفت: «این باکتری می‌تواند گروه گسترده‌تری از لانتانیدها را جذب کند نسبت به زیرمجموعه کوچکی که ترجیح می‌دهد استفاده کند، بنابراین نیاز به روشی دارد تا از تداخل این لانتانیدهای نامطلوب با عملکرد لانتانیدهای مطلوب در سلول جلوگیری کند.»
«به نظر می‌رسد که LanD و LanM با هم کار می‌کنند تا این جداسازی را انجام دهند، که توضیح می‌دهد چرا پروتئین LanM که قبلاً شناسایی شده بود، در جداسازی لانتانیدها به طور کلی خوب عمل می‌کند.»
او اضافه کرد که LanD با محل اتصال منحصر به فرد خود، به طور خاص برای عناصر خاکی کمیاب سبک بسیار بهتر است.
کاتروو گفت: «پروتئین LanD به راحتی به نئودیمیم که با فاصله ارزشمندترین عنصر خاکی کمیاب سبک است، بهترین اتصال را دارد.»
«در حالی که پروتئین LanD طبیعی تمایل به نئودیمیم دارد، ما آن را دوباره مهندسی کردیم تا بتواند نئودیمیم را به طور مؤثرتری از یک محلول مخلوط از عناصر خاکی کمیاب سبک استخراج کند و سایر عناصر خاکی کمیاب با ارزش کمتر را نادیده بگیرد.»
محققان دریافتند که مهندسی محل اتصال LanD باعث می‌شود جداسازی نئودیمیم و پراسئودیمیم مورد نظر بسیار مؤثرتر شود. در کاربردهای آینده، محققان گفتند که امیدوارند بتوانند اندازه پروتئین را کاهش دهند و ترجیح این محل اتصال را حتی بیشتر افزایش دهند و آن را در جداسازی در مقیاس بزرگتر پیاده‌سازی کنند. این محل می‌تواند به عنوان نقطه شروعی برای شیمی‌دانان و مهندسان برای توسعه پروتئین‌های بسیار خاص برای جداسازی کامل سایر عناصر دشوار در امر جداسازی عمل کند.
علاوه بر این، از آنجا که LanD و LanM در جداسازی عناصر خاکی کمیاب مختلف تخصص دارند، می‌توانند با هم در یک فرآیند برای جداسازی منابع پیچیده عناصر خاکی کمیاب مانند سنگ معدن‌ها استفاده شوند.
او گفت: “پروتئین LanD یک روش امیدوارکننده برای بهبود روش‌های جداسازی عناصر خاکی کمیاب است و ما در حال کار بر روی بهبود آن هستیم تا راهی برای استخراج عناصر خاکی کمیاب مؤثرتر و سبزتر فراهم کنیم.”
نویسندگان همکار مقاله شامل وایت لاریناگا و جاناتان جونگ، دانشجویان تحصیلات تکمیلی در رشته شیمی؛ چی-یون لین، پژوهشگر پسادکتری در رشته شیمی؛ و امی بوآل، استاد شیمی و بیوشیمی و زیست‌شناسی مولکولی هستند.
تهییه و تنظیم:
- غزال حسن زاده پندزاری
