Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare och medarbetare vid Penn State University förbättrar naturliga molekyler som skulle hjälpa till att rikta in sig på specifika radioaktiva element som finns i kärnavfall eller används i nuklearmedicin.

Även de mest effektiva molekylerna som finns i naturen, som genomgick miljarder år av evolution, kan fortfarande förbättras för icke-naturliga tillämpningar. Teamet biokonstruerade naturens mest potenta protein (lanmodulin) för lantanider - naturliga element som används i många föremål som hårddiskar och magneter - för att göra det ännu mer selektivt för aktinidelement. Aktinider är radioaktiva metaller som finns i kärnavfall, såsom uran, plutonium och americium.

Forskningen visas i tidskriften Chemical Science . Resultaten förbättrar förståelsen för hur naturliga föreningar kan interagera med kärnavfall i miljön och kan leda till nya molekyler för att avlägsna och detektera specifika radioaktiva metaller.

Teamet designade, syntetiserade och karakteriserade fem varianter av lanmodulin (LanM) strategiskt för att dechiffrera och så småningom förbättra dess aktinidbindande egenskaper. Överraskande nog fann de att närvaron av vattenmolekyler som överbryggar metall- och proteinmolekylen är särskilt viktig för att kontrollera stabiliteten och metallpreferenserna hos metall-proteinkomplexen. Denna designprincip gjorde det möjligt för forskarna att förbättra proteinets förmåga att skilja mellan aktinid- och lantanidelement.

Molekyler som är selektiva för aktinider framför lantanider är bland de mest eftertraktade eftersom dessa två familjer av grundämnen finns i kärnavfall och att separera dem skulle möjliggöra en mer effektiv hantering av radioaktiva material. Teamets upptäckt kan leda till drastiskt nya separationssystem för tillämpningar inom kärnavfall och radiokemi. LanM upptäcktes av Penn State-medlemmarna i teamet 2018, och LLNL-Penn State-samarbetet har undersökt tillämpningar av denna makalösa naturliga molekyl inom kärnvetenskapsområdet.

"Detta är den första studien där någon gjorde ändringar i lanmodulin för att dissekera och förbättra dess metallbindningsegenskaper", säger LLNL-forskaren Gauthier Deblonde, en medförfattare till studien. "När vi justerade proteinets egenskaper för att rikta in oss på radioaktiva element, lärde vi oss också mycket om mekanismerna genom vilka det binder metallerna."

Medan klassiska molekyler har en begränsad uppsättning kemiska interaktioner, visade den nya forskningen att makromolekyler, såsom proteiner, har en utökad repertoar av kemiska interaktioner som forskare kan finjustera för att rikta in sig på specifika metaller.

"Denna studie avslöjar ännu ett verktyg som detta anmärkningsvärda protein har till sitt förfogande för att skilja mellan metaller som skiljer sig från varandra på endast mycket subtila sätt. Denna insikt är ett viktigt steg mot högpresterande LanM-baserade separationsmetoder och specialdesignade molekyler för att binda specifika medicinska isotoper", säger Joseph Cotruvo, Jr., biträdande professor i kemi i Penn State och en medförfattare till studien. + Utforska vidare

Interaktionen med kärnavfall i miljön kan vara mer komplicerad än man trodde