Wetenschappers en medewerkers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) aan de Penn State University verbeteren natuurlijke moleculen die kunnen helpen bij het aanpakken van specifieke radioactieve elementen die worden aangetroffen in nucleair afval of worden gebruikt in de nucleaire geneeskunde.

Zelfs de meest effectieve moleculen in de natuur, die miljarden jaren van evolutie hebben ondergaan, kunnen nog steeds worden verbeterd voor niet-natuurlijke toepassingen. Het team ontwikkelde het krachtigste eiwit van de natuur (lanmoduline) voor lanthaniden - natuurlijke elementen die worden gebruikt in tal van items zoals harde schijven en magneten van computers - om het nog selectiever te maken voor actinide-elementen. Actiniden zijn radioactieve metalen die aanwezig zijn in nucleair afval, zoals uranium, plutonium en americium.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Chemical Science . De resultaten verbeteren het begrip van hoe natuurlijke verbindingen kunnen interageren met nucleair afval in het milieu en kunnen leiden tot nieuwe moleculen voor het opruimen en detecteren van specifieke radioactieve metalen.

Het team heeft strategisch vijf varianten van lanmoduline (LanM) ontworpen, gesynthetiseerd en gekarakteriseerd om de actinide-bindende eigenschappen te ontcijferen en uiteindelijk te verbeteren. Verrassend genoeg ontdekten ze dat de aanwezigheid van watermoleculen die het metaal- en eiwitmolecuul overbruggen, bijzonder belangrijk is voor het beheersen van de stabiliteit en metaalvoorkeuren van de metaal-eiwitcomplexen. Dankzij dit ontwerpprincipe konden de wetenschappers het vermogen van het eiwit om onderscheid te maken tussen actinide- en lanthanide-elementen verbeteren.

Moleculen die selectief zijn voor actiniden boven lanthaniden, behoren tot de meest begeerde omdat deze twee families van elementen worden aangetroffen in nucleair afval en het scheiden ervan zou zorgen voor een efficiënter beheer van radioactieve materialen. De ontdekking van het team zou kunnen leiden tot drastisch nieuwe scheidingssystemen voor toepassingen op het gebied van nucleair afval en radiochemie. LanM werd in 2018 ontdekt door de Penn State-leden van het team en de samenwerking tussen LLNL en Penn State heeft toepassingen van dit weergaloze natuurlijke molecuul op het gebied van nucleaire wetenschappen onderzocht.

"Dit is de eerste studie waarbij iemand wijzigingen aanbracht in lanmoduline om de metaalbindende eigenschappen te ontleden en te verbeteren", zegt LLNL-wetenschapper Gauthier Deblonde, een co-hoofdauteur van de studie. "Terwijl we de eigenschappen van het eiwit afstemden op radioactieve elementen, hebben we ook veel geleerd over de mechanismen waarmee het de metalen bindt."

Terwijl klassieke moleculen een beperkte reeks chemische interacties hebben, toonde het nieuwe onderzoek aan dat macromoleculen, zoals eiwitten, een uitgebreid repertoire van chemische interacties hebben die wetenschappers kunnen afstemmen om specifieke metalen te targeten.

"Deze studie onthult nog een ander hulpmiddel dat dit opmerkelijke eiwit tot zijn beschikking heeft om onderscheid te maken tussen metalen die op slechts zeer subtiele manieren van elkaar verschillen. Dit besef is een belangrijke stap in de richting van krachtige op LanM gebaseerde scheidingsmethoden en op maat ontworpen moleculen om specifieke medische isotopen te binden", zegt Joseph Cotruvo, Jr., assistent-professor scheikunde van Penn State en mede-hoofdauteur van de studie. + Verder verkennen

Interactie met kernafval in het milieu kan ingewikkelder zijn dan ooit werd gedacht