Gå ud over Moder Naturs molekyler for at målrette radioaktive metaller

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere og samarbejdspartnere ved Penn State University forbedrer naturlige molekyler, der vil hjælpe med at målrette specifikke radioaktive elementer, der findes i nuklear affald eller bruges i nuklearmedicin.

Selv de mest effektive molekyler fundet i naturen, som gennemgik milliarder af års evolution, kan stadig forbedres til ikke-naturlige anvendelser. Holdet biokonstruerede naturens mest potente protein (lanmodulin) til lanthanider - naturlige elementer, der bruges i adskillige ting som computerharddiske og magneter - for at gøre det endnu mere selektivt for actinid-elementer. Aktinider er radioaktive metaller, der er til stede i nukleart affald, såsom uran, plutonium og americium.

Forskningen vises i tidsskriftet Chemical Science . Resultaterne forbedrer forståelsen af, hvordan naturlige forbindelser kan interagere med nukleart affald i miljøet og kan føre til nye molekyler til opfangning og påvisning af specifikke radioaktive metaller.

Holdet har strategisk designet, syntetiseret og karakteriseret fem varianter af lanmodulin (LanM) for at dechifrere og til sidst forbedre dets actinid-bindende egenskaber. Overraskende nok fandt de ud af, at tilstedeværelsen af ​​vandmolekyler, der bygger bro mellem metal- og proteinmolekylet, er særlig vigtig for at kontrollere stabiliteten og metalpræferencerne for metal-proteinkomplekserne. Dette designprincip gjorde det muligt for forskerne at forbedre proteinets evne til at skelne mellem actinid- og lanthanidelementer.

Molekyler, der er selektive for actinider frem for lanthanider, er blandt de mest eftertragtede, fordi disse to familier af grundstoffer findes i atomaffald, og at adskille dem ville give mulighed for en mere effektiv håndtering af radioaktive materialer. Holdets opdagelse kan føre til drastisk nye separationssystemer til applikationer inden for nukleart affald og radiokemi. LanM blev opdaget af Penn State-medlemmerne af holdet i 2018, og LLNL-Penn State-samarbejdet har udforsket anvendelser af dette uforlignelige naturlige molekyle inden for nuklear videnskab.

"Dette er den første undersøgelse, hvor nogen foretog ændringer til lanmodulin for at dissekere og forbedre dets metalbindingsegenskaber," sagde LLNL-forsker Gauthier Deblonde, en medforfatter af undersøgelsen. "Da vi justerede proteinets egenskaber til at målrette radioaktive grundstoffer, lærte vi også meget om de mekanismer, hvorved det binder metallerne."

Mens klassiske molekyler har et begrænset sæt af kemiske interaktioner, viste den nye forskning, at makromolekyler, såsom proteiner, har et udvidet repertoire af kemiske interaktioner, som videnskabsmænd kan finjustere til at målrette mod specifikke metaller.

"Denne undersøgelse afslører endnu et værktøj, som dette bemærkelsesværdige protein har til sin rådighed til at skelne mellem metaller, der adskiller sig fra hinanden på kun meget subtile måder. Denne erkendelse er et vigtigt skridt mod højtydende LanM-baserede separationsmetoder og specialdesignede molekyler at binde specifikke medicinske isotoper," sagde Joseph Cotruvo, Jr., Penn State assisterende professor i kemi og en co-lead forfatter af undersøgelsen. + Udforsk yderligere

Interaktion med nukleart affald i miljøet kan være mere kompliceret end engang troet