Een efficiëntere en kosteneffectievere manier om lanthaniden op te sporen, de zeldzame aardmetalen die worden gebruikt in smartphones en andere technologieën, zou mogelijk kunnen zijn met een nieuwe op eiwitten gebaseerde sensor die van fluorescentie verandert wanneer deze zich aan deze metalen bindt. Een team van onderzoekers uit Penn State ontwikkelde de sensor op basis van een eiwit dat ze onlangs hebben beschreven en gebruikten het vervolgens om de biologie te onderzoeken van bacteriën die lanthaniden gebruiken. Een studie die de sensor beschrijft, verschijnt online in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Lanthaniden worden gebruikt in een verscheidenheid aan huidige technologieën, inclusief de schermen en elektronica van smartphones, batterijen van elektrische auto's, satellieten, en lasers, " zei Joseph Cotruvo, jr., assistent-professor en Louis Martarano Professor in de loopbaanontwikkeling van de chemie aan Penn State en senior auteur van de studie. "Deze elementen worden zeldzame aardmetalen genoemd, en ze bevatten chemische elementen van atoomgewicht 57 tot 71 op het periodiek systeem. Zeldzame aardmetalen zijn uitdagend en duur om uit het milieu of uit industriële monsters te halen, zoals afvalwater van mijnen of afvalproducten van steenkool. We hebben een op eiwitten gebaseerde sensor ontwikkeld die kleine hoeveelheden lanthaniden in een monster kan detecteren, om ons te laten weten of het de moeite waard is om middelen te investeren om deze belangrijke metalen te winnen."

Het onderzoeksteam heeft een fluorescerende sensor herontworpen die wordt gebruikt om calcium te detecteren, door het deel van de sensor dat zich aan calcium bindt te vervangen door een eiwit dat ze onlangs ontdekten dat miljoenen keren beter aan lanthaniden bindt dan andere metalen. Het eiwit ondergaat een vormverandering wanneer het zich bindt aan lanthaniden, wat de sleutel is om de fluorescentie van de sensor "aan te zetten".

"De gouden standaard voor het detecteren van elk element dat in een monster aanwezig is, is een massaspectrometrietechniek genaamd ICP-MS, " zei Cotruvo. "Deze techniek is erg gevoelig, maar het vereist gespecialiseerde instrumenten die de meeste laboratoria niet hebben, en het is niet goedkoop. Met de op eiwitten gebaseerde sensor die we hebben ontwikkeld, kunnen we de totale hoeveelheid lanthaniden in een monster detecteren. Het identificeert niet elk afzonderlijk element, maar het kan snel en goedkoop worden gedaan op de plaats van bemonstering."

Het onderzoeksteam gebruikte de sensor ook om de biologie te onderzoeken van een type bacterie die lanthaniden gebruikt - de bacteriën waaruit het lanthanide-bindende eiwit oorspronkelijk werd ontdekt. Eerdere studies hadden lanthaniden gedetecteerd in het periplasma van de bacterie - een ruimte tussen membranen aan de buitenkant van de cel - maar, met behulp van de sensor, het team ontdekte ook lanthaniden in het cytosol van de bacterie - de vloeistof die de cel vult.

"We ontdekten dat de lichtste van de lanthaniden - lanthaan via neodymium op het periodiek systeem - in het cytosol terechtkomen, maar de zwaardere niet, " zei Cotruvo. "We proberen nog steeds precies te begrijpen hoe en waarom dat is, maar dit vertelt ons dat er eiwitten in het cytosol zijn die omgaan met lanthaniden, die we niet eerder wisten. Begrijpen wat er achter deze hoge opnameselectiviteit zit, kan ook nuttig zijn bij het ontwikkelen van nieuwe methoden om het ene lanthanide van het andere te scheiden, dat is momenteel een zeer moeilijk probleem."

Het team stelde ook vast dat de bacteriën lanthaniden opnemen, net zoals veel bacteriën ijzer opnemen; ze scheiden kleine moleculen af ​​die stevig aan het metaal binden, en het hele complex wordt de cel in genomen. Dit onthult dat er kleine moleculen zijn die waarschijnlijk nog sterker aan lanthaniden binden dan de zeer selectieve sensor.

"We hopen deze kleine moleculen en eventuele eiwitten in het cytosol verder te bestuderen, die uiteindelijk beter kunnen binden aan lanthaniden dan het eiwit dat we in de sensor gebruikten, "Zei Cotruvo. "Onderzoeken hoe elk van deze lanthaniden bindt en ermee in wisselwerking staat, kan ons inspiratie geven voor het repliceren van deze processen bij het verzamelen van lanthaniden voor gebruik in de huidige technologieën."

Naast Cotruvo, het onderzoeksteam omvat Joseph Mattocks en Jackson Ho van Penn State.