研究チームは、最近報告したタンパク質をもとにセンサーを開発し、ランタノイドを利用する細菌の生物学的性質を調べるために使用した。このセンサーは、希土類金属をより効率的かつ低コストで検出する方法となる可能性がある。
「ランタノイドは、スマートフォンの画面や電子機器、電気自動車のバッテリー、衛星、レーザーなど、現在のさまざまな技術に使われています」と、ペンシルベニア州立大学の化学教授で、この研究の責任著者であるジョセフ・コトルヴォ・ジュニア氏は述べる。
「これらの元素は希土類と呼ばれ、周期表で原子量57から71までの化学元素が含まれます。希土類を環境中や、鉱山の廃水、石炭廃棄物などの産業試料から抽出するのは難しく、費用もかかります。
「私たちは、試料中のごく微量のランタノイドを検出できるタンパク質ベースのセンサーを開発しました。これにより、こうした重要な金属を抽出するために資源を投入する価値があるかどうかを判断できます。」
研究チームは、カルシウムを検出できる蛍光センサーを再設計し、カルシウムと結合する部分を、最近発見したタンパク質に置き換えた。このタンパク質は、他の金属よりも数百万倍強くランタノイドと結合する。ランタノイドと結合するとタンパク質の形が変化し、センサーの蛍光を「オン」にする鍵となる。
「試料に含まれる各元素を検出するためのゴールドスタンダードは、ICP-MSと呼ばれる質量分析法です」とコトルヴォ氏は述べる。
「この手法は非常に高感度ですが、ほとんどの研究室にはない専用の機器が必要で、安価でもありません。私たちが開発したタンパク質ベースのセンサーを使えば、試料中のランタノイドの総量を検出できます。個々の元素を特定することはできませんが、サンプリング地点で迅速かつ低コストに測定できます。」
研究チームはまた、このセンサーを使って、ランタノイドを利用するある種の細菌の生物学的性質を調べた。この細菌は、ランタノイド結合タンパク質が最初に発見された細菌である。先行研究では、細胞の外側近くにある膜間の空間、つまり細菌のペリプラズムでランタノイドが検出されていたが、センサーを使った今回の研究では、細胞を満たす液体である細菌の細胞質でも検出された。
「ランタノイドのうち最も軽い元素、つまり周期表でランタンからネオジムまでの元素は細胞質に入りますが、より重い元素は入りません」とコトルヴォ氏は述べる。
「その理由や仕組みを正確に理解しようと、今も研究を続けています。しかし、この結果から、細胞質にはランタノイドを扱うタンパク質が存在することが分かりました。これはこれまで知られていませんでした。この高い取り込み選択性の背景を理解することは、あるランタノイドを別のランタノイドから分離する新たな方法の開発にも役立つ可能性があります。これは現在、非常に難しい課題です。」
チームはまた、この細菌が多くの細菌が鉄を取り込むのとよく似た方法でランタノイドを取り込むことを明らかにした。細菌は金属と強く結合する小分子を分泌し、細胞はその複合体全体を取り込む。このことから、選択性の高いセンサーよりも強くランタノイドに結合する可能性のある小分子が存在することが分かる。
「今後、これらの小分子や細胞質にあるタンパク質をさらに研究したいと考えています。センサーに使ったタンパク質よりもランタノイドによく結合するものが見つかるかもしれません」とコトルヴォ氏は述べる。
「それぞれがランタノイドにどのように結合し、相互作用するのかを調べることで、現在の技術に使うランタノイドを回収する際に、こうした過程を再現する方法の着想が得られるかもしれません。」
この研究は、ペンシルベニア州立大学エバリー科学学部化学科とペンシルベニア州立大学ハック生命科学研究所の支援を受けた。
