EF-Hand Battle Royale: Hetero-ion Complexation in Lanmodulin

合作性 化学 镧系元素 离子 水溶液 合作约束 质量作用定律 平衡常数 同种类的 萃取(化学) 水溶液中的金属离子 结合位点 热力学 化学物理 计算化学 无机化学 物理化学 色谱法 有机化学 物理 生物化学
作者
Jeremy Seidel,Patrick Diep,Ziye Dong,Joseph A. Cotruvo,Dan Park
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:4 (11): 4273-4284 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacsau.4c00628
摘要

The lanmodulin (LanM) protein has emerged as an effective means for rare earth element (REE) extraction and separation from complex feedstocks without the use of organic solvents. Whereas the binding of LanM to individual REEs has been well characterized, little is known about the thermodynamics of mixed metal binding complexes (i.e., heterogeneous ion complexes), which limits the ability to accurately predict separation performance for a given metal ion mixture. In this paper, we employ the law of mass action to establish a theory of perfect cooperativity for LanM-REE complexation at the two highest-affinity binding sites. The theory is then used to derive an equation that explains the nonintuitive REE binding behavior of LanM, where separation factors for binary pairs of ions vary widely based on the ratio of ions in the aqueous phase, a phenomenon that is distinct from single-ion-binding chemical chelators. We then experimentally validate this theory and perform the first quantitative characterization of LanM complexation with heterogeneous ion pairs using resin-immobilized LanM. Importantly, the resulting homogeneous and heterogeneous constants enable accurate prediction of the equilibrium state of LanM in the presence of mixtures of up to 10 REEs, confirming that the perfect cooperativity model is an accurate mechanistic description of REE complexation by LanM. We further employ the model to simulate separation performance over a range of homogeneous and heterogeneous binding constants, revealing important insights into how mixed binding differentially impacts REE separations based on the relative positioning of the ion pairs within the lanthanide series. In addition to informing REE separation process optimization, these results provide mathematical and experimental insight into competition dynamics in other ubiquitous and medically relevant, cooperative binding proteins, such as calmodulin.

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