Enhanced rare-earth separation with a metal-sensitive lanmodulin dimer

镧系元素 离子半径 二聚体 化学 结晶学 羧酸盐 协调球 金属 晶体结构 无机化学 立体化学 离子 有机化学 氧化物
作者
Joseph A. Mattocks,Jong‐Jae Jung,Chi‐Yun Lin,Ziye Dong,Neela H. Yennawar,Emily R. Featherston,Christina S. Kang-Yun,Tracy P. Hamilton,Dan Park,Amie K. Boal,Joseph A. Cotruvo
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:618 (7963): 87-93 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41586-023-05945-5
摘要

Abstract Technologically critical rare-earth elements are notoriously difficult to separate, owing to their subtle differences in ionic radius and coordination number 1–3 . The natural lanthanide-binding protein lanmodulin (LanM) 4,5 is a sustainable alternative to conventional solvent-extraction-based separation 6 . Here we characterize a new LanM, from Hansschlegelia quercus ( Hans -LanM), with an oligomeric state sensitive to rare-earth ionic radius, the lanthanum(III)-induced dimer being >100-fold tighter than the dysprosium(III)-induced dimer. X-ray crystal structures illustrate how picometre-scale differences in radius between lanthanum(III) and dysprosium(III) are propagated to Hans -LanM’s quaternary structure through a carboxylate shift that rearranges a second-sphere hydrogen-bonding network. Comparison to the prototypal LanM from Methylorubrum extorquens reveals distinct metal coordination strategies, rationalizing Hans -LanM’s greater selectivity within the rare-earth elements. Finally, structure-guided mutagenesis of a key residue at the Hans- LanM dimer interface modulates dimerization in solution and enables single-stage, column-based separation of a neodymium(III)/dysprosium(III) mixture to >98% individual element purities. This work showcases the natural diversity of selective lanthanide recognition motifs, and it reveals rare-earth-sensitive dimerization as a biological principle by which to tune the performance of biomolecule-based separation processes.
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