Un modo più efficiente ed economico per rilevare i lantanidi, i metalli rari usati negli smartphone e altre tecnologie, potrebbe essere possibile con un nuovo sensore basato sulle proteine che cambia la sua fluorescenza quando si lega a questi metalli. Un team di ricercatori della Penn State ha sviluppato il sensore da una proteina descritta di recente e successivamente l’ha utilizzata per esplorare la biologia dei batteri che usano i lantanidi. Uno studio che descrive il sensore appare online sul Journal of the American Chemical Society.
“I lantanidi sono usati in una varietà di tecnologie attuali, inclusi gli schermi e l’elettronica degli smartphone, le batterie di auto elettriche, i satelliti e i laser”, ha detto Joseph Cotruvo, Jr., assistente professore e Louis Martarano professore di chimica e autore principale dello studio.
“Questi elementi sono chiamati terre rare e includono elementi chimici di peso atomico da 57 a 71 sulla tavola periodica: le terre rare sono impegnative e costose da estrarre dall’ambiente o da campioni industriali, come le acque di scarico delle miniere o i prodotti di scarto del carbone. Abbiamo sviluppato un sensore basato sulle proteine in grado di rilevare piccole quantità di lantanidi in un campione, facendoci sapere se vale la pena investire risorse per estrarre questi importanti metalli”.
Re-ingegnerizzare un sensore
Il team di ricerca ha re-ingegnerizzato un sensore fluorescente utilizzato per rilevare il calcio, sostituendo la parte del sensore che si lega al calcio con una proteina scoperta di recente che è molto più veloce di legarsi ai lantanidi rispetto ad altri metalli. La proteina subisce un cambiamento di forma quando si lega ai lantanidi, che è fondamentale per “accendere” la fluorescenza del sensore.
“Il gold standard per la rilevazione di ogni elemento presente in un campione è una tecnica di spettrometria di massa denominata ICP-MS”, ha affermato Cotruvo. “Questa tecnica è molto sensibile, ma richiede una strumentazione specializzata che la maggior parte dei laboratori non ha, e non è a buon mercato. Il sensore basato sulle proteine che abbiamo sviluppato ci permette di rilevare la quantità totale di lantanidi in un campione. identificare ogni singolo elemento, ma può essere fatto rapidamente ed economicamente nella posizione del campionamento.”
Il team di ricerca ha anche utilizzato il sensore per studiare la biologia di un tipo di batteri che utilizza i lantanidi, i batteri dai quali è stata originariamente scoperta la proteina legante i lantanidi. Studi precedenti avevano rilevato lantanidi nel periplasma dei batteri – uno spazio tra le membrane vicino all’esterno della cellula – ma, utilizzando il sensore, il team ha rilevato anche lantanidi nel citosol del batterio, il fluido che riempie la cellula.
Un comportamento già visto nei batteri del ferro
“Abbiamo scoperto che il più leggero dei lantanidi – lantanio attraverso il neodimio sulla tavola periodica – entra nel citosol, ma quelli più pesanti no”, ha detto Cotruvo. “Stiamo ancora cercando di capire esattamente come e perché, ma questo ci dice che ci sono proteine nel citosol che gestiscono i lantanidi, cosa che non sapevamo prima, ma potrebbe anche essere utile capire cosa c’è dietro questa elevata selettività di assorbimento nello sviluppo di nuovi metodi per separare un lantanide da un altro, che attualmente è un problema molto difficile”.
Il team ha inoltre stabilito che i batteri assorbono i lantanidi in modo molto simile a quello che molti batteri assumono nel ferro; secernono piccole molecole strettamente legate al metallo e l’intero complesso viene immesso nella cellula. Questo rivela che ci sono piccole molecole che probabilmente si legano ai lantanidi ancora più strettamente del sensore altamente selettivo.
“Speriamo di studiare ulteriormente queste piccole molecole e tutte le proteine nel citosol, che potrebbero finire per legarsi meglio ai lantanidi rispetto alla proteina che abbiamo usato nel sensore”, ha detto Cotruvo. “Indagare come ciascuno di questi si lega e interagire con i lantanidi può darci l’ispirazione per come replicare questi processi quando si raccolgono i lantanidi per l’uso nelle tecnologie attuali.”
Oltre a Cotruvo, il gruppo di ricerca comprende Joseph Mattocks e Jackson Ho a Penn State.
