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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

由于离子半径和配位数的细微差别，技术关键的稀土元素很难分离。天然镧系元素结合蛋白lanmodulin ( LanM )是传统溶剂萃取分离的可持续替代品。

有鉴于此，宾夕法尼亚大学Joseph A. Cotruvo Jr等人表征了一个新的LanM，来自Hansschlegelia quercus (Hans-LanM)，其寡聚态对稀土离子半径敏感，镧(Ⅲ)诱导的二聚体比镝(Ⅲ)诱导的二聚体紧密>100倍。X射线晶体结构说明了镧(Ⅲ)和镝(Ⅲ)之间半径的皮米级差异是如何通过羧酸盐位移重新排列第二球氢键网络传播到Hans-LanM的四元结构的。与来自原单胞菌属的原型LanM相比，揭示了不同的金属配位策略，使Hans-LanM在稀土元素中具有更大的选择性。最后，Hans-LanM二聚体界面关键残基的结构导向突变调节了溶液中的二聚化，实现了Nd(Ⅲ)/Dy(Ⅲ)混合物的单级柱分离，达到>98 %的单个元素纯度。这项工作展示了选择性镧系识别基序的天然多样性，并揭示了稀土敏感的二聚化作为一种生物学原理来调节基于生物分子的分离过程的性能。

Hans-LanM独特的选择性特征

作者提出了LanM 的几个标志。首先，LanMs拥有四个EF手图案；其次，LanMs中相邻的EF手被12-13个残基分开；第三，至少一只EF手在第二个位置包含脯氨酸。基于以上分析，通过数据库确定了696个推定的LanM，其中，Hans-LanM 提供了一个确定 LanM 中选择性镧系元素识别所必需的特征的机会。表征结果表明，该蛋白质结合约三当量的LaIII和NdIII，以及略少的DyIII。在没有金属的情况下表现出很少的螺旋含量。选择性表征结果表明Hans-LanM 比Mex-LanM更能区分LRE和HRE，HRE复合物表现出较低的亲和力、较低的协同性和较小的初级构象变化。

图  Hans - LanM与Mex - LanM在顺序和RE与RE选择性上存在差异

LRE-选择性二聚化

为了在生理相关 LRE 存在的情况下进一步支持优先二聚化，使用多角度光散射分析了Hans-LanM的RE复合物，表明 LaIII、NdIII 和 GdIII 的复合物是二聚体。接下来，通过等温滴定量热法确定了apo、LaIII结合和DyIII结合的Hans-LanM 的二聚化的K_d，LaIII比DyIII有利于Hans-LanM的二聚化>100倍。与 LaIII 复合的Hans-LanM的1.8Å分辨率X射线晶体结构证实了LRE诱导的二聚化，生化和结构结果表明Hans-LanM的二聚化平衡强烈依赖于特定的 RE结合。

图  对LRE相对于HRE或非RE配位敏感的二聚化平衡

二聚化的结构基础

为了了解LRE与HRE区分的基础，还确定了DyIII–Hans-LanM的1.4-Å分辨率结构。最后，作者报告了NdIII-Mex-LanM的1.01 Å分辨率结构，结构分析合理化了Mex-LanM和Hans-LanM的非凡RE与非RE选择性，同时也解释了它们在LRE与HRE选择性方面的差异。

图  Hans-LanM使用扩展的氢键网络来控制镧系元素的选择性

单级NdIII/DyIII分离

作者专注于分离永磁体中使用的稀土对NdIII和DyIII。首先测定了野生型Hans-LanM和Hans-LanM(R100K)RE复合物对柠檬酸盐的稳定性， RE-Hans-LanM 复合物对柠檬酸盐的稳定性通常不如Mex-LanM，证实了二聚化选择性地稳定了Hans-LanM的LRE复合物。Hans-LanM和R100K在 La-Gd 范围内表现出相似的分离能力，这些Nd/Dy分离因子几乎是Mex-LanM的两倍(Hans-LanM)和三倍(Hans-LanM(R100K))。

图  利用Hans-LanM在单阶段过程中分离Nd/Dy

参考文献：

Mattocks, J.A., Jung, J.J., Lin, CY. et al. Enhanced rare-earth separation with a metal-sensitive lanmodulin dimer. Nature 618, 87–93 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-05945-5

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05945-5