Ny sensor registrerer sjældne metaller, der bruges i smartphones

En mere effektiv og omkostningseffektiv måde at påvise lanthanider, de sjældne jordmetaller, der bruges i smartphones og andre teknologier, kunne være mulig med en ny proteinbaseret sensor, der ændrer dens fluorescens, når den binder sig til disse metaller. Et team af forskere fra Penn State udviklede sensoren fra et protein, de for nylig beskrev og efterfølgende brugte det til at undersøge biologien hos bakterier, der bruger lanthanider. En undersøgelse, der beskriver sensoren, vises online i Journal of the American Chemical Society .

"Lanthanider bruges i en række nuværende teknologier, herunder skærme og elektronik til smartphones, batterier til elbiler, satellitter, og lasere, "sagde Joseph Cotruvo, Jr., adjunkt og Louis Martarano Karriereudviklingsprofessor i kemi i Penn State og seniorforfatter af undersøgelsen. "Disse grundstoffer kaldes sjældne jordarter, og de inkluderer kemiske elementer med atomvægt 57 til 71 på det periodiske system. Sjældne jordarter er udfordrende og dyre at udvinde fra miljøet eller fra industrielle prøver, som spildevand fra miner eller kulaffaldsprodukter. Vi udviklede en proteinbaseret sensor, der kan registrere små mængder lanthanider i en prøve, lade os vide, om det er værd at investere ressourcer til at udvinde disse vigtige metaller. "

Forskerteamet genudviklede en fluorescerende sensor, der blev brugt til at detektere calcium, ved at erstatte den del af sensoren, der binder til calcium, med et protein, de for nylig opdagede, og som er flere millioner gange bedre til at binde til lanthanider end andre metaller. Proteinet undergår en formændring, når det binder sig til lanthanider, hvilket er nøglen til, at sensorens fluorescens kan "tænde".

"Guldstandarden for påvisning af hvert element, der er til stede i en prøve, er en massespektrometri-teknik kaldet ICP-MS, "sagde Cotruvo." Denne teknik er meget følsom, men det kræver specialiseret instrumentering, som de fleste laboratorier ikke har, og det er ikke billigt. Den proteinbaserede sensor, som vi udviklede, giver os mulighed for at detektere den samlede mængde lanthanider i en prøve. Det identificerer ikke hvert enkelt element, men det kan gøres hurtigt og billigt på prøvetagningsstedet. "

Forskergruppen brugte også sensoren til at undersøge biologien af ​​en type bakterier, der bruger lanthanider-bakterierne, hvorfra det lanthanidbindende protein oprindeligt blev opdaget. Tidligere undersøgelser havde påvist lanthanider i bakteriens periplasma - et mellemrum mellem membraner nær ydersiden af ​​cellen - men, ved hjælp af sensoren, teamet opdagede også lanthanider i bakteriens cytosol - væsken, der fylder cellen.

"Vi fandt ud af, at de letteste af lanthaniderne - lanthan gennem neodym på det periodiske system - kommer ind i cytosolen, men de tungere gør det ikke, "sagde Cotruvo." Vi forsøger stadig at forstå præcis, hvordan og hvorfor det er, men dette fortæller os, at der er proteiner i cytosolen, der håndterer lanthanider, som vi ikke vidste før. At forstå, hvad der ligger bag denne høje optagelsesselektivitet, kan også være nyttigt til at udvikle nye metoder til at adskille et lanthanid fra et andet, som i øjeblikket er et meget vanskeligt problem. "

Holdet fastslog også, at bakterierne optager lanthanider, ligesom mange bakterier optager jern; de udskiller små molekyler, der binder tæt til metallet, og hele komplekset tages ind i cellen. Dette afslører, at der er små molekyler, der sandsynligvis binder sig til lanthanider endnu tættere end den stærkt selektive sensor.

"Vi håber at kunne studere disse små molekyler og eventuelle proteiner i cytosolen yderligere, som kan ende med at blive bedre til at binde sig til lanthanider end det protein, vi brugte i sensoren, "sagde Cotruvo." Undersøgelse af, hvordan hver af disse binder og interagerer med lanthanider, kan give os inspiration til, hvordan vi kan replikere disse processer, når vi indsamler lanthanider til brug i nuværende teknologier. "

Ud over Cotruvo, forskergruppen omfatter Joseph Mattocks og Jackson Ho i Penn State.