Бактерии-металлурги: предотвратят ли биотехнологии войны за редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы, или попросту редкоземы — это скандий, иттрий и 15 лантаноидов, то есть элементов с номерами в таблице Менделеева 57–71, от лантана до лютеция. Эти 17 элементов чрезвычайно важны для промышленности. Например, эффективная переработка нефти требует цериевых и лантановых катализаторов. Производство электроники тоже немыслимо без редкоземельных металлов. Они используются в магнитах, лазерах, светодиодах, оптических кабелях и многих других устройствах.

Витаминизированное питание

Редкоземы не зря называют «витаминами промышленности». Их доля в валовом продукте металлургии невелика, хоть в натуральном, хоть в денежном выражении. Так, в 2022 году мировое производство редкоземельных металлов составило 300 000 т. При этом килограмм, скажем, диспрозия в 2020-м стоил около $260 — на порядок дороже меди, но совершенно несравнимо с золотом. Однако и витамины составляют ничтожную часть нашего рациона, но без них человек заболеет и умрет. Так и промышленность без редкоземов откатилась бы к технологиям середины прошлого века.

К тому же потребность в редкоземельных металлах постоянно растет. Еще в 2018 году их было произведено всего 190 000 т. Другим словами, за пять лет добыча увеличилась на 60%. Во многом этот рост вызван спросом на электронику.

Велики ли запасы редкоземельных металлов? Да и нет. Лантана и церия в земной коре больше, чем кобальта или свинца, не говоря уже о серебре и золоте. Однако редкоземельные металлы не зря так называются. Они никогда не встречаются в самородном виде и крайне редко образуют пригодные к разработке руды. Гигантские массы этих элементов распылены по горным породам в виде тончайшей примеси, добыча которой абсолютно нерентабельна — по крайней мере, с нынешними технологиями.

Промышленные запасы редкоземов распределены по миру крайне неравномерно. Почти 87% запасов приходятся на четыре страны: Китай, Вьетнам, Бразилию и Россию. Некоторые эксперты полагают, что за обладание этими ресурсами в XXI веке развернутся не только торговые, но и настоящие войны.

Между тем выделить редкоземельные металлы из руды — только полдела. Нужно еще отделить их друг от друга. Все эти элементы очень похожи по химическим свойствам, поэтому и в рудах обычно встречаются вместе. Природному минералу безразлично, встроить в кристалл атом неодима или диспрозия. А вот материаловедам отнюдь не все равно, ведь у каждого вещества своя область применения. Металлы приходится разделять с помощью химических растворителей, зачастую токсичных. Чтобы получить раствор нужной чистоты, требуются десятки или даже сотни стадий очистки. Это долго, дорого и небезопасно для окружающей среды.

Новую страницу в индустрии редкоземов могут открыть биотехнологии. Они уже перевернули пищевую и фармакологическую промышленность, а теперь, возможно, настал через металлургии.

Упавшие с дуба

В 2018 году группа во главе с Джозефом Котруво из США обнаружила у бактерии Methylorubrum extorquens белок, склонный связываться с атомами лантаноидов. Фермент связывал эти элементы в 100 млн раз активнее, чем более распространенные металлы, например, кальций. Такая избирательность не новость в биохимии. Каждый фермент в клетке узкоспециализирован под свою химическую реакцию, которую он ускоряет в миллионы раз или даже больше. Редкость скорее организм, которому понадобились лантаноиды. Но физиология микробов вообще разнообразна и удивительна. Любители лантана и церия не особенно выделяются на фоне обитателей ядерных реакторов или отравленных мышьяком озер.

Исследователи назвали новый белок ланмодулином, соединив слова «лантаноиды» и «модуляция» (изменение). Уже тогда эксперты заговорили о возможном применении этого фермента в добыче сырья. Эксперименты показали, что ланмодулин может выделять редкоземельные элементы из смесей, с которыми не справляются обычные методы. Однако фермент не слишком хорошо отличал друг от друга разные редкоземельные металлы.

К счастью, у всякого белка есть «близкие родственники». Белок — это длинная цепь, состоящая из однотипных звеньев. Эти звенья — белковые аминокислоты, их в природе всего 20. Так что молекулу белка можно представить себе как очень длинное слово (сотни и тысячи букв), записанное в 20-буквенном алфавите. Каждый белок кодируется своим геном, и мутации в этом гене меняют структуру белка. Аминокислотные звенья могут выпадать, меняться местами, заменяться на другие и так далее. Когда изменений накапливается слишком много, уместно говорить уже о другом белке — «потомке» первого. Поэтому, например, есть не один гемоглобин, а много разных, и гемоглобин человека сильно отличается от гемоглобина крокодила.

Так что исследователи принялись за поиски других ланмодулинов. Они идентифицировали сотни белков этого семейства, прежде чем нашли особенно интересный. Его выделили у бактерии Hansschlegelia quercus, обитающей в почках дуба.

Новый ланмодулин при контакте с лантаноидом превращается в димер. Это значит, что две молекулы белка объединяются друг с другом в единый комплекс. Чем легче атом лантаноида, спровоцировавший объединение, тем сильнее сцепление между молекулами белка. Для лантана оно в 100 раз сильнее, чем для диспрозия, хотя массы атомов различаются на каких-то 15%.

Чтобы выяснить, как это работает, авторы изучили форму молекулы ланмодулина с помощью рентгеновских лучей. Молекулы белков — это длинные цепи, но они никогда не остаются развернутыми во всю длину. Белки сворачиваются в сложные фигуры, геометрия которых сильно влияет на их биохимические свойства. Оказалось, что склонность ланмодулина объединяться в пары зависит от положения в пространстве одного-единственного аминокислотного звена (около 1% длины молекулы). А это положение определяется тем, с атомом какого именно металла связался белок. 

Ученые поэкспериментировали с мутациями в гене ланмодулина, чтобы добиться еще лучшей селекции редкоземов. В итоге они вывели бактерию, отделяющую неодим от диспрозия. За одну стадию процесса микробы добивались чистоты обеих металлов в 98%. Эксперименты с геном ланмодулина можно продолжать, нацеливая белок на разные элементы. 

Разумеется, лабораторный метод — это еще далеко не промышленная технология. Его нужно отладить, масштабировать и так далее. Отдельный вопрос — сделает ли ланмодулин рентабельным добычу редкоземельных металлов из бедных руд и электронного лома. Если да, то неприметная бактерия из почек дуба сможет уберечь человечество от больших неприятностей.