稀土元素(REEs)对新兴技术来说是不可或缺的，但它们的化学相似之处使它们很难相互分离。一些专门的微生物需要稀土元素才能生长，并进化出生物机械来处理它们。Mattocks等人报告了他们发现的一种稀土结合蛋白，这种蛋白对这一元素家族成员的亲和力具有无与伦比的选择性。哥伦比亚大学Scott Banta评论了Mattocks团队这一同样发表在《Nature》上题为“Enhanced rare-earth separation with a metal-sensitive lanmodulin dimer”的文章。Scott Banta认为Mattocks等人证明了Hans lanmodin可以以类似的方式分离单独的稀土：在一次操作中分离镝和钕离子，产生纯度高于98%的产品，并从原始混合物中回收99%以上的物质。但对于工业REE分离来说，这种方法是否具有可扩展性和经济可行性仍有待观察。然而，Mattocks和他的同事的发现为蛋白质的结合部位如何进化来区分稀土提供了洞察力，并可能启发新的仿生方法来处理这些具有挑战性的分离。该观点以题为“How a protein differentiates between rare-earth elements”的论文发表在《Nature》上。
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稀有这个词可能用词不当，因为大多数稀土元素(放射性钷除外)在地球上陆壳中比银更丰富。事实上，镧、钕和铈的储量与铜和镍差不多，而铜和镍被认为并不稀有。但在蛋白质的背景下，稀土当然可以被认为是稀有的--蛋白质数据库中几乎一半的蛋白质结构包含金属，其中很少是稀土。
然而，在过去的12年左右的时间里，人们发现稀土对于被称为亚甲基营养素的细菌的生物化学是必不可少的。这些生物可以利用只含有一个碳原子的有机化合物作为生长的碳源--这是一种需要特殊新陈代谢能力的天赋。在甲基营养蛋白质中掺入稀土元素可能提供了催化优势，有助于这种独特的生物化学，在某种程度上，一些甲基营养菌在没有REEs的情况下无法生长。对甲基营养菌代谢能力的研究导致在扭脱甲基杆菌(Mex)中发现了蛋白质 lanmodulin；该蛋白质可能参与调节该生物体中的 REE 浓度。
Lanmodin很小，由大约112个氨基酸残基组成，在没有稀土的情况下是无结构的。它包含四个EF手基序--负责许多蛋白质中钙离子结合的氨基酸序列。与Mattocks等人同属一个研究小组的工作人员此前曾使用核磁共振波谱技术确定了扭脱甲基杆菌(Mex) Lanmodin蛋白与钇离子形成的络合物的3D结构。这表明，在REEs存在下，Lanmodin折叠成一束三个α-螺旋，成对的EF手位于束结构的末端。
钙结合蛋白已经被广泛地表征，并且已知钙离子可以被EF手上的七个或八个氧原子结合(配位)。其中一个氧原子在水分子中，其他氧原子来自蛋白质(主要来自氨基酸侧链上的酸基)。这些相互作用通常是单齿的--每个侧链或分子只有一个氧结合。相比之下，Mex Lanmodin蛋白中金属结合位点的精确结构和几何形状仍然存在一些不确定性，因为以前报道的核磁共振结构并没有揭示这些位点的所有分子细节。
Mattocks和他的同事现在报告了Mex Lanmodin的钕络合物的晶体结构，从而提供了该蛋白质如何与REE结合的详细视图。在结构中高亲和力的金属结合位点中，钕被来自蛋白质的九个氧原子和两个水分子配位。与蛋白质的五种相互作用以及与水分子的两种相互作用，都是单齿的，但一个氨基酸残基形成双齿相互作用(它通过两个氧原子结合)。
与钙结合蛋白中观察到的数量相比，配位氧基的数量增加，以及Mex Lanmodin的其他结构特征，导致了显著的REE结合能力。该蛋白质对稀土的偏好大约是钙的108倍，稀土的结合亲和力非常高-通过一个被称为表观解离常数的量来衡量，其范围从轻REE的约5皮摩尔到重REE的约25 pM；常数越小，亲和力越高。
作者还报道了从从英国橡树的花蕾中分离出来的的甲基营养菌Hansschlegelia quercus中发现了一种lanmodulin。它被简称为Hans lanmodin，是通过生物信息学方法进行鉴定的，该方法在蛋白质氨基酸序列数据库中搜索在lanmodins中发现的特征序列簇。与Mex Lanmodin类似，Hans lanmodin在稀土存在下折叠，但它对轻REE的亲和力较低(表观解离常数在70-90 pM之间)，对重REE的亲和力差异更显著(对轻REE镧的表观亲和力比重REE镝高近40倍)。Mattocks等人发现，这种选择性与蛋白质与稀土结合时形成二聚体的能力有关：二聚化倾向随着稀土离子半径的减小而降低(即随着稀土原子质量的增加)。
作者获得了Hans lanmodin与镧、镝离子的络合物的晶体结构。二聚体镧配合物的结构表明，在三个高亲和力的稀土结合部位中，每个部位都有十个氧原子与金属离子配位，所有十个都属于蛋白质，四个氨基酸残基参与了双齿相互作用。在最接近二聚体单体之间形成的界面的结合部位，其中一个单体的两个残基的双齿结合是通过来自另一个单体的精氨酸残基(标记为Arg 100)的存在来加强的。界面处形成的键增加了二聚体结构的稳定性。此外，REE结合袋的稳定降低了结合的轻REE离子从络合物中释放的速率(解离速率；图1a)。与镧络合物相比，Arg 100与形成双齿相互作用的谷氨酸残基(Glu 91)之间的距离增大。这使得Glu 91可以旋转并变成单齿，从而将配位氧原子的数量减少到9个。这些结构变化降低了二聚体的稳定性，解释了为什么镝络合物倾向于单体结构，并使重REE离子的解离率更高(图1b)。
图1|Lanmodulin蛋白的二聚化决定了它对稀土元素的亲和力
【小结】
色谱技术通过利用分子对分离介质的结合亲和力的差异来分离分子混合物。Mex Lanmodin以前被固定在珠子上，然后用作将稀土与其他金属分离的介质。Mattocks等人现在证明，Hans lanmodin可以以类似的方式分离单独的稀土：在一次操作中分离镝和钕离子，产生纯度高于98%的产品，并从原始混合物中回收99%以上的物质。
在层析中广泛使用基于蛋白质的试剂--例如，用于纯化抗体。但是，尽管这种方法的相关成本在生物治疗剂的生产中是合理的，但对于工业REE分离来说，这种方法是否具有可扩展性和经济可行性仍有待观察。然而，Mattocks和他的同事的发现为蛋白质的结合部位如何进化来区分稀土提供了洞察力，并可能启发新的仿生方法来处理这些具有挑战性的分离。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-01739-x
来源：BioMed科技
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