Ett mer effektivt och kostnadseffektivt sätt att upptäcka lantanider, de sällsynta jordartsmetaller som används i smartphones och annan teknik, kan vara möjligt med en ny proteinbaserad sensor som ändrar dess fluorescens när den binder till dessa metaller. Ett team av forskare från Penn State utvecklade sensorn från ett protein som de nyligen beskrev och därefter använde den för att utforska biologin hos bakterier som använder lantanider. En studie som beskriver sensorn visas online i Journal of the American Chemical Society .

"Lanthanider används i en mängd olika nuvarande tekniker, inklusive skärmar och elektronik för smartphones, batterier i elbilar, satelliter, och lasrar, "sa Joseph Cotruvo, Jr., assisterande professor och Louis Martarano karriärutvecklingsprofessor i kemi vid Penn State och senior författare till studien. "Dessa element kallas sällsynta jordarter, och de inkluderar kemiska element med atomvikt 57 till 71 på det periodiska systemet. Sällsynta jordarter är utmanande och dyra att extrahera från miljön eller från industriprover, som avloppsvatten från gruvor eller kolavfallsprodukter. Vi utvecklade en proteinbaserad sensor som kan upptäcka små mängder lanthanider i ett prov, meddela oss om det är värt att investera resurser för att utvinna dessa viktiga metaller. "

Forskargruppen konstruerade om en fluorescerande sensor som används för att upptäcka kalcium, genom att ersätta den del av sensorn som binder till kalcium med ett protein som de nyligen upptäckte som är flera miljoner gånger bättre vid bindning till lantanider än andra metaller. Proteinet genomgår en formförändring när det binder till lantanider, vilket är nyckeln för att sensorns fluorescens ska "slås på".

"Guldstandarden för att detektera varje element som finns i ett prov är en masspektrometri-teknik som kallas ICP-MS, "sa Cotruvo." Denna teknik är mycket känslig, men det kräver specialiserad instrumentering som de flesta laboratorier inte har, och det är inte billigt. Den proteinbaserade sensorn som vi utvecklat gör att vi kan upptäcka den totala mängden lantanider i ett prov. Det identifierar inte varje enskilt element, men det kan göras snabbt och billigt vid provtagningsplatsen. "

Forskargruppen använde också sensorn för att undersöka biologin hos en typ av bakterier som använder lantanider-bakterierna från vilka det lantanidbindande proteinet ursprungligen upptäcktes. Tidigare studier hade upptäckt lantanider i bakteriens periplasma - ett utrymme mellan membran nära cellens utsida - men, med sensorn, laget upptäckte också lantanider i bakteriens cytosol - vätskan som fyller cellen.

"Vi fann att de lättaste av lantaniderna - lantan genom neodym på det periodiska bordet - kommer in i cytosolen, men de tyngre gör det inte, "sa Cotruvo." Vi försöker fortfarande förstå exakt hur och varför det är, men detta säger oss att det finns proteiner i cytosolen som hanterar lantanider, som vi inte visste tidigare. Att förstå vad som ligger bakom denna selektivitet med hög upptagning kan också vara användbart för att utveckla nya metoder för att skilja en lantanid från en annan, som för närvarande är ett mycket svårt problem. "

Teamet bestämde också att bakterierna tar in lantanider ungefär som många bakterier tar i järn; de utsöndrar små molekyler som tätt binder till metallen, och hela komplexet tas in i cellen. Detta avslöjar att det finns små molekyler som sannolikt binder till lantanider ännu tätare än den högselektiva sensorn.

"Vi hoppas kunna studera dessa små molekyler och eventuella proteiner i cytosolen ytterligare, som kan bli bättre på att binda till lantanider än proteinet vi använde i sensorn, "sade Cotruvo." Att undersöka hur var och en av dessa binder och interagerar med lantanider kan ge oss inspiration för hur vi kan replikera dessa processer när vi samlar lantanider för användning i nuvarande teknik. "

Förutom Cotruvo, forskargruppen inkluderar Joseph Mattocks och Jackson Ho i Penn State.