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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,Jonathan J. Jung,Chi‐Yun Lin,Ziye Dong,Neela H. Yennawar,Emily R. Featherston,Christina S. Kang-Yun,T. Hamilton,Dan Park,Amie K. Boal,Joseph A. Cotruvo
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:618 (7963): 87-93 被引量:154
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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