蛋白质可以区分稀土元素

编译 | 曾全晨 审稿 | 王建民

今天为大家介绍的是来自Scott Banta的一篇新闻。科学家们发现了一种蛋白质，相比于较重的元素，它与稀土金属家族的轻元素更强烈地结合在一起。考虑到这些元素的化学相似性，这个发现令人惊叹。

稀土元素（REEs）对于新兴技术至关重要，然而它们的化学相似性使它们在分离过程中变得非常困难。一些特殊的微生物需要稀土元素来生长，并且已经进化出处理这些元素的生物机制。Mattocks等人在报道了一种稀土结合蛋白质的发现，该蛋白质在与这一元素家族的成员之间具有无与伦比的选择性亲和力。这一发现为开发生物分离策略以分离单个稀土元素铺平了道路。

稀土元素（REEs）由镧系元素（镧到镥在周期表中的元素）以及钪和钇组成。这些元素的独特性使它们在许多现代应用中不可或缺，包括磁铁、电池、电子设备和催化剂，因此全球需求预计将增加。镧系元素主要形成带有三个正电荷的离子，并且具有相似的半径，随着原子量增加而减小。稀土元素的化学相似性导致它们在地质沉积物中共存，并且使它们的相互分离变得复杂。工业上的稀土元素分离是具有挑战性的：有机分子（配体）与稀土离子的混合物在酸性溶液中发生反应，形成络合物，然后在多个萃取步骤中，特定稀土元素的络合物被有选择性地转移到合适的有机溶剂中。

“稀有”这个词对于稀土元素（REEs）来说可能是一个误称，因为这些元素中的大多数（除了放射性的钷）在地球的上部大陆地壳中比银更为丰富。事实上，镧、钕和铈的丰度与铜和镍差不多，而这些元素并不被视为稀有。但是在蛋白质的背景下，稀土元素确实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含有金属，其中极少数是稀土元素。

然而，在过去的12年左右，人们发现稀土元素对于称为甲基营养菌的细菌的生物化学至关重要。这些微生物可以利用仅含有一个碳原子的有机化合物作为碳源进行生长，这需要特殊的代谢能力。稀土元素的融入甲基营养菌蛋白质中可能提供了催化优势，有助于支持这种独特的生物化学过程，以至于某些甲基营养菌在没有稀土元素的情况下无法生长。对甲基营养菌代谢能力的研究导致在细菌Methylobacterium extorquens中发现了蛋白质lanmodulin；该蛋白质可能参与调节该微生物中稀土元素的浓度。

Lanmodulin是一个小型蛋白质，由大约112个氨基酸残基组成，在没有稀土元素的情况下是无结构的。它包含四个EF-hand结构基序，这些氨基酸序列负责在许多蛋白质中与钙离子结合。与Mattocks等人相同研究小组的研究人员此前使用核磁共振（NMR）光谱技术确定了M. extorquens（Mex）lanmodulin与钇离子形成复合物的三维结构。这个发现揭示了，在存在稀土元素的情况下，lanmodulin会折叠成一个由三个α螺旋构成的束状结构，而EF手会位于束状结构的两端。

钙结合蛋白质的特性已经得到广泛研究，已知钙离子可以通过EF hands中的七或八个氧原子结合（配位）。其中一个氧原子来自水分子，其余来自蛋白质（主要来自氨基酸侧链中的酸性基团）。这些相互作用通常是单齿的，即每个侧链或分子只与一个氧原子结合。相比之下，在Mex lanmodulin的金属结合位点的精确结构和几何结构方面仍存在一些不确定性，因为先前报道的NMR结构并没有揭示这些位点的所有分子细节。

Mattocks和同事们现在报道了Mex lanmodulin与镝的复合物的晶体结构，从而提供了该蛋白质与稀土元素结合的详细视角。在结构中的高亲和力金属结合位点中，镝通过蛋白质的九个氧原子和两个水分子进行配位。其中与蛋白质的五个相互作用和与水分子的两个相互作用都是单齿的，但一个氨基酸残基通过两个氧原子进行双齿相互作用。

与钙结合蛋白质相比，Mex lanmodulin的配位氧原子数量增加，加上其他结构特征，使其具有显著的稀土元素结合能力。该蛋白质对稀土元素的选择性约为钙的108倍，并且对稀土元素的结合亲和力异常高，以表观解离常数来衡量，这个值在轻稀土元素约为5皮摩尔，重稀土元素约为25皮摩尔；更小的常数表示更高的亲和力。

作者还报道了从橡树芽中分离出的Hansschlegelia quercus甲基营养菌中发现了一个lanmodulin。简称为Hans lanmodulin，它是通过生物信息学方法鉴定的，该方法通过搜索蛋白质氨基酸序列数据库中的特征性序列簇来发现lanmodulin。

图 1

作者获得了Hans lanmodulin与镧和镝离子的复合物的晶体结构。二聚体镧复合物的结构显示，在每个三个高亲和力稀土元素结合位点中，有十个氧原子与金属离子配位，其中所有十个氧原子都属于蛋白质，同时有四个氨基酸残基参与双齿相互作用。在二聚体的单体界面附近的结合位点中，来自另一个单体的精氨酸残基（标记为Arg 100）强制两个单体中的两个残基形成双齿结合。界面处的键合增加了二聚体结构的稳定性。此外，稀土元素结合口袋的稳定化降低了轻稀土离子从复合物中释放的速率（脱离速率；图1a）。

Hans lanmodulin与较小的镝离子的复合物的结构显示，与镧复合物相比，精氨酸残基Arg 100与谷氨酸残基之一（Glu 91）之间的距离增加。这使得Glu 91能够旋转并成为单齿配位，从而将配位氧原子的数量降低为九个。这些结构变化降低了二聚体的稳定性，解释了为什么镝复合物更倾向于单体结构，并使重稀土离子的脱离速率更高（图1b）。

层析技术利用分子对分离介质的结合亲和力差异，将混合物分离成单独的分子。之前已经将Mex lanmodulin固定在珠子上，然后将其用作分离稀土元素和其他金属的介质。Mattocks等人现在展示了Hans lanmodulin可以以类似的方式用于分离单个稀土元素：在单次操作中分离了镝和钕离子，得到纯度大于98%的产物，并且从原始混合物中回收了超过99%的物质。

在层析中使用基于蛋白质的试剂是广泛实践的，例如用于纯化抗体。但是，尽管这种方法在生物治疗剂的生产中是合理的成本，但要看它是否可扩展和经济可行用于工业稀土元素分离仍然有待观察。然而，Mattocks和同事的发现揭示了蛋白质的结合位点如何进化以区分稀土元素，并可能启发新的仿生方法来应对这些具有挑战性的分离过程。

参考资料

Nature Hot topic:

https://www.natureasia.com/en/nature/hot-topics/detail/1936