Bakterielt enzym ekstraherer sjældne jordarters elementer på en miljøvenlig måde

Sjældne jordarters elementer er afgørende for mange moderne teknologier. Kemikere ved LMU har nu vist, at en cofaktor fundet i et bakterielt enzym selektivt kan udvinde nogle af disse metaller fra blandinger på en miljøvenlig måde.

Rare earth elements (REE'er) er en uundværlig ingrediens i de elektroniske enheder, som nu er en integreret del af vores daglige liv. De er ansat i computere, smartphones, elektriske motorer og mange andre nøgleteknologier som komponenter i magneter og batterier, og fungerer også som kraftfulde kemiske katalysatorer. REE'er består af 17 elementer - skandium, yttrium, lanthan og de 14 lanthanider, der følger efter lanthan i det periodiske system. I naturen, de forekommer som blandinger og findes ofte i forbindelse med de radioaktive grundstoffer uran og thorium. Alle REE'er udviser meget lignende kemiske egenskaber, hvilket gør det svært at adskille dem fra hinanden, energikrævende og miljøproblematisk opgave. Nu har et hold ledet af LMU-kemikeren professor Lena Daumann vist, at en enzymcofaktor kaldet pyrroloquinolinquinon (PQQ), som findes i visse bakteriearter, binder sig selektivt til specifikke REE'er og kan bruges til at adskille dem fra blandinger.

At REE'er også spiller væsentlige roller i biosfæren blev opdaget for mindre end 10 år siden, da det blev vist, at visse typer bakterier selektivt kan optage lanthanider fra miljøet, som derefter inkorporeres i enzymer til brug som metaboliske katalysatorer. For eksempel, i methylotrofe bakterier, lanthan eller europium binder til PQQ i enzymet methanol dehydrogenase (MDH), og spiller en væsentlig rolle i oxidationen af ​​methanol - en vigtig del af disse bakteriers energimetabolisme. Daumann og hendes kolleger har nu karakteriseret samspillet mellem PQQ og disse REE'er i detaljer og, i samarbejde med forskere baseret i Berlin og Münster, de har isoleret PQQ-lanthanidkomplekser og bestemt deres molekylære strukturer for første gang i fravær af enzymmatrixen.

Resultaterne viser, at PQQ selektivt kan fjerne nogle REE'er ved udfældning fra vandige opløsninger indeholdende blandinger af deres salte, uden behov for potentielt farlige organiske opløsningsmidler eller andre tilsætningsstoffer. Påfaldende nok, PQQ binder sig fortrinsvis til de større lanthanider, herunder neodym. Genbrug af sidstnævnte er af særlig interesse for bæredygtige teknologier. "Et kendetegn ved lanthaniderne er, at den ioniske radius gradvist aftager hen over rækken fra lanthan til lutetium, og disse små forskelle kan bruges til at adskille dem, " forklarer Daumann. Indtil nu, det var ikke klart, hvorfor bakterier fortrinsvis vælger de større lanthanider til biokemiske funktioner. Baseret på deres seneste resultater, forfatterne til den nye undersøgelse formoder, at dette har at gøre med strukturen af ​​PQQ. Sandsynligvis er det aktive sted i PQQ-holdige enzymer blevet optimeret til at rumme de større ioner i REE-serien. De nye resultater skulle stimulere yderligere interesse for brugen af ​​bakterier til genanvendelse af REE'er. Undersøgelsen vises i tidsskriftet Kemi:Et europæisk tidsskrift , og er med på forsiden af ​​det seneste nummer.