Un moyen plus efficace et rentable de détecter les lanthanides, les métaux des terres rares utilisés dans les smartphones et autres technologies, pourrait être possible avec un nouveau capteur à base de protéines qui modifie sa fluorescence lorsqu'il se lie à ces métaux. Une équipe de chercheurs de Penn State a développé le capteur à partir d'une protéine qu'ils ont récemment décrite et l'a ensuite utilisé pour explorer la biologie des bactéries qui utilisent les lanthanides. Une étude décrivant le capteur apparaît en ligne dans le Journal de l'American Chemical Society .

« Les lanthanides sont utilisés dans diverses technologies actuelles, y compris les écrans et l'électronique des smartphones, batteries de voitures électriques, satellite, et lasers, " dit Joseph Cotruvo, Jr., professeur adjoint et professeur de chimie Louis Martarano Career Development à Penn State et auteur principal de l'étude. "Ces éléments sont appelés terres rares, et ils comprennent des éléments chimiques de poids atomique 57 à 71 sur le tableau périodique. Les terres rares sont difficiles et coûteuses à extraire de l'environnement ou d'échantillons industriels, comme les eaux usées des mines ou les déchets de charbon. Nous avons développé un capteur à base de protéines qui peut détecter de minuscules quantités de lanthanides dans un échantillon, nous faire savoir s'il vaut la peine d'investir des ressources pour extraire ces métaux importants. »

L'équipe de recherche a repensé un capteur fluorescent utilisé pour détecter le calcium, en remplaçant la partie du capteur qui se lie au calcium par une protéine qu'ils ont récemment découverte qui est plusieurs millions de fois meilleure pour se lier aux lanthanides que les autres métaux. La protéine subit un changement de forme lorsqu'elle se lie aux lanthanides, ce qui est essentiel pour que la fluorescence du capteur "s'allume".

"L'étalon-or pour détecter chaque élément présent dans un échantillon est une technique de spectrométrie de masse appelée ICP-MS, " a déclaré Cotruvo. " Cette technique est très sensible, mais cela nécessite une instrumentation spécialisée que la plupart des laboratoires n'ont pas, et ce n'est pas bon marché. Le capteur à base de protéines que nous avons développé nous permet de détecter la quantité totale de lanthanides dans un échantillon. Il n'identifie pas chaque élément individuel, mais cela peut être fait rapidement et à peu de frais sur le lieu de prélèvement."

L'équipe de recherche a également utilisé le capteur pour étudier la biologie d'un type de bactérie qui utilise des lanthanides, la bactérie à partir de laquelle la protéine de liaison aux lanthanides a été découverte à l'origine. Des études antérieures avaient détecté des lanthanides dans le périplasme de la bactérie - un espace entre les membranes près de l'extérieur de la cellule - mais, à l'aide du capteur, l'équipe a également détecté des lanthanides dans le cytosol de la bactérie, le liquide qui remplit la cellule.

"Nous avons découvert que le plus léger des lanthanides - du lanthane au néodyme sur le tableau périodique - pénètre dans le cytosol, mais pas les plus lourds, " a déclaré Cotruvo. "Nous essayons toujours de comprendre exactement comment et pourquoi c'est, mais cela nous dit qu'il y a des protéines dans le cytosol qui manipulent les lanthanides, que nous ne connaissions pas avant. Comprendre ce qui se cache derrière cette sélectivité d'absorption élevée pourrait également être utile pour développer de nouvelles méthodes pour séparer un lanthanide d'un autre, qui est actuellement un problème très difficile."

L'équipe a également déterminé que la bactérie absorbe les lanthanides tout comme de nombreuses bactéries absorbent le fer; ils sécrètent de petites molécules qui se lient étroitement au métal, et l'ensemble du complexe est introduit dans la cellule. Cela révèle qu'il existe de petites molécules qui se lient probablement aux lanthanides encore plus étroitement que le capteur hautement sélectif.

"Nous espérons approfondir l'étude de ces petites molécules et de toutes les protéines du cytosol, qui pourrait finir par se lier mieux aux lanthanides que la protéine que nous avons utilisée dans le capteur, " a déclaré Cotruvo. " Étudier comment chacun d'entre eux se lie et interagit avec les lanthanides peut nous inspirer sur la façon de reproduire ces processus lors de la collecte des lanthanides pour une utilisation dans les technologies actuelles. "

En plus de Cotruvo, l'équipe de recherche comprend Joseph Mattocks et Jackson Ho à Penn State.