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Jul 20, 2023

I batteri sono più bravi di noi nell’estrazione delle terre rare

A protein produced by certain bacteria can not only extract the elements

Una proteina prodotta da alcuni batteri non solo può estrarre gli elementi neodimio e disprosio dal minerale in cui si trovano, ma anche separarli l'uno dall'altro. Con la domanda di questi metalli in crescita esponenziale, grazie al loro ruolo nelle turbine eoliche e nei veicoli elettrici che si aggiunge alla domanda esistente da parte degli smartphone, la scoperta potrebbe rappresentare un punto di svolta nella corsa alla decarbonizzazione.

Nonostante il loro nome, gli elementi delle terre rare non sono poi così rari. Il neodimio, ad esempio, è il 27esimo elemento più comune nella crosta terrestre, molto davanti al mercurio (67esimo) e all'oro (75esimo). La quantità di neodimio che deve essere aggiunta al ferro per creare magneti straordinariamente potenti non è molto grande, quindi non c'è pericolo che il mondo finisca. Sfortunatamente, però, estrarre e raffinare questi utili elementi è un’attività complicata e costosa.

Una tecnologia delineata in Nature potrebbe cambiare la situazione. Gli scienziati della Penn State University hanno dimostrato che una forma specifica della proteina lanmodulina può distinguere elementi eccezionalmente simili.

"La biologia riesce a differenziare le terre rare da tutti gli altri metalli là fuori - e ora possiamo vedere come distingue anche tra le terre rare che trova utili e quelle che non lo fanno", ha affermato il dottor Joseph Cotruvo in una nota. “Stiamo dimostrando come possiamo adattare questi approcci per il recupero e la separazione delle terre rare”.

La sfida nell’estrazione dei lantanidi, che comprendono la maggior parte degli elementi delle terre rare, è che non compaiono mai in forma pura. Oltre ad essere mescolati con elementi comuni, i lantanidi esistono in natura insieme e la chimica simile che li deposita nello stesso posto ne impedisce anche la separazione.

"C'è il modo di tirarli fuori dalla roccia, che è una parte del problema, ma per il quale esistono molte soluzioni", ha detto Cotruvo. "Ma una volta usciti si incontra un secondo problema, perché è necessario separare più terre rare l'una dall'altra. Questa è la sfida più grande e interessante, discriminare tra le singole terre rare, perché sono così simili."

I processi esistenti comportano passaggi ripetitivi, a volte centinaia, ciascuno dei quali richiede sostanze chimiche tossiche.

Sei anni fa, Cotruvo e colleghi hanno isolato dai batteri metilotrofi una proteina che hanno chiamato lanmodulina, che hanno scoperto che si lega ai lantanidi con una forza oltre 100 milioni di volte superiore a quella dei metalli più comuni.

Anche se potenzialmente utile, questo non risolve ciò che Cotruvo ha notato come la parte più difficile del problema, ovvero la suddivisione di un mix di 15 elementi.

Tuttavia, la lanmodulina risulta essere una famiglia di centinaia di proteine ​​dall’aspetto simile prodotte da batteri diversi. Il batterio Hansschlegelia quercus trovato nelle gemme della quercia inglese può distinguere i lantanidi, oltre a separarli tutti dagli altri metalli.

Quando si lega a un lantanide leggero, la lanmodulina di Hansschlegelia forma gruppi di due molecole identiche (dimeri), ma con i membri più pesanti del gruppo va da sola.

"Ciò è stato sorprendente perché questi metalli hanno dimensioni molto simili", ha detto Cotruvo. "Questa proteina ha la capacità di differenziarsi su una scala inimmaginabile per la maggior parte di noi: pochi trilionesimi di metro, una differenza inferiore a un decimo del diametro di un atomo." Non è chiaro come i batteri ne traggano beneficio.

Attaccando la proteina alle perline senza coinvolgere batteri, il team ha dimostrato la capacità della proteina di separare neodimio e disprosio, i due lantanidi utilizzati nelle batterie permanenti, senza bisogno di solventi organici o alte temperature.

Distinguere tra una metà dei lantanidi e l’altra potrebbe eliminare alcune fasi del processo di separazione, ma lascia ancora molto lavoro da fare. Neodimio e disprosio si trovano a sei punti di distanza sulla tavola periodica. Ciò che serve davvero è una versione che li distingua dai loro vicini più prossimi, che differiscono in dimensioni solo pochi trilionesimi di metro.

Utilizzando la cristallografia a raggi X, il team ha trovato un singolo amminoacido che è cruciale per il trattamento differenziale degli elementi da parte della lanmodulina.