特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
由于離子半徑和配位數的細微差別，技術關鍵的稀土元素很難分離。天然鑭系元素結合蛋白lanmodulin ( LanM )是傳統溶劑萃取分離的可持續替代品。
有鑒于此，賓夕法尼亞大學Joseph A. Cotruvo Jr等人表征了一個新的LanM，來自Hansschlegelia quercus (Hans-LanM)，其寡聚態對稀土離子半徑敏感，鑭(Ⅲ)誘導的二聚體比鏑(Ⅲ)誘導的二聚體緊密>100倍。X射線晶體結構說明了鑭(Ⅲ)和鏑(Ⅲ)之間半徑的皮米級差異是如何通過羧酸鹽位移重新排列第二球氫鍵網絡傳播到Hans-LanM的四元結構的。與來自原單胞菌屬的原型LanM相比，揭示了不同的金屬配位策略，使Hans-LanM在稀土元素中具有更大的選擇性。最后，Hans-LanM二聚體界面關鍵殘基的結構導向突變調節了溶液中的二聚化，實現了Nd(Ⅲ)/Dy(Ⅲ)混合物的單級柱分離，達到>98 %的單個元素純度。這項工作展示了選擇性鑭系識別基序的天然多樣性，并揭示了稀土敏感的二聚化作為一種生物學原理來調節基于生物分子的分離過程的性能。
Hans-LanM獨特的選擇性特征
作者提出了LanM 的幾個標志。首先，LanMs擁有四個EF手圖案；其次，LanMs中相鄰的EF手被12-13個殘基分開；第三，至少一只EF手在第二個位置包含脯氨酸。基于以上分析，通過數據庫確定了696個推定的LanM，其中，Hans-LanM 提供了一個確定 LanM 中選擇性鑭系元素識別所必需的特征的機會。表征結果表明，該蛋白質結合約三當量的LaIII和NdIII，以及略少的DyIII。在沒有金屬的情況下表現出很少的螺旋含量。選擇性表征結果表明Hans-LanM 比Mex-LanM更能區分LRE和HRE，HRE復合物表現出較低的親和力、較低的協同性和較小的初級構象變化。
圖 Hans - LanM與Mex - LanM在順序和RE與RE選擇性上存在差異
LRE-選擇性二聚化
為了在生理相關 LRE 存在的情況下進一步支持優先二聚化，使用多角度光散射分析了Hans-LanM的RE復合物，表明 LaIII、NdIII 和 GdIII 的復合物是二聚體。接下來，通過等溫滴定量熱法確定了apo、LaIII結合和DyIII結合的Hans-LanM 的二聚化的Kd，LaIII比DyIII有利于Hans-LanM的二聚化>100倍。與 LaIII 復合的Hans-LanM的1.8?分辨率X射線晶體結構證實了LRE誘導的二聚化，生化和結構結果表明Hans-LanM的二聚化平衡強烈依賴于特定的 RE結合。
圖 對LRE相對于HRE或非RE配位敏感的二聚化平衡
二聚化的結構基礎
為了了解LRE與HRE區分的基礎，還確定了DyIII–Hans-LanM的1.4-?分辨率結構。最后，作者報告了NdIII-Mex-LanM的1.01 ?分辨率結構，結構分析合理化了Mex-LanM和Hans-LanM的非凡RE與非RE選擇性，同時也解釋了它們在LRE與HRE選擇性方面的差異。
圖 Hans-LanM使用擴展的氫鍵網絡來控制鑭系元素的選擇性
單級NdIII/DyIII分離
作者專注于分離永磁體中使用的稀土對NdIII和DyIII。首先測定了野生型Hans-LanM和Hans-LanM(R100K)RE復合物對檸檬酸鹽的穩定性， RE-Hans-LanM 復合物對檸檬酸鹽的穩定性通常不如Mex-LanM，證實了二聚化選擇性地穩定了Hans-LanM的LRE復合物。Hans-LanM和R100K在 La-Gd 范圍內表現出相似的分離能力，這些Nd/Dy分離因子幾乎是Mex-LanM的兩倍(Hans-LanM)和三倍(Hans-LanM(R100K))。
圖 利用Hans-LanM在單階段過程中分離Nd/Dy
參考文獻：
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
