Bakterien ersetzen künftig den Bergarbeiter

Joseph Cotruvo Jr. (rechts) und sein Doktorand Wonseok Choi im Labor (Foto: Michelle Bixby, psu.edu)

University Park (pte015/29.10.2024/11:30) - Mit einer biotechnischen Innovation der Pennsylvania State University ( https://www.psu.edu/ ) lässt sich die Abhängigkeit westlicher Industriestaaten von Seltenen Erden aus China, das ein Quasimonopol in diesem Bereich hat, drastisch verringern. Forschungsleiter Joseph Cotruvo Jr. und sein Doktorand Wonseok Choi setzen zur Trennung verschiedener Seltenerdmetalle ein Protein ein, das in der Natur vorkommt - von den beiden Forschern jedoch manipuliert wird, um es effektiver zu machen.

Protein LanD als Schlüssel

Das Protein LanD entfernt gezielt Neodym und Praseodym aus einem Mix von mehreren Seltenerdmetallen. Es hat laut den Experten das Potenzial, den industriellen Bergbau zu revolutionieren. "Jedes Seltenerdelement hat spezifische Eigenschaften, die es für verschiedene Anwendungen nützlich machen. Aber es ist schwierig, sie voneinander zu trennen. Die derzeitigen industriellen Methoden sind ineffizient und erfordern große Mengen giftiger Chemikalien. Eine auf Proteinen basierende Methode könnte diesen Prozess effizienter, umweltfreundlicher und kostengünstiger machen", so Cotruvo.

Laut der United States International Trade Commission ( https://www.usitc.gov/ ) wird fast 80 Prozent des Bedarfs an Seltenen Erden der Vereinigten Staaten importiert. Ähnlich sieht es bei allen anderen Industriestaaten aus. Dabei gebe es in den USA und anderen Ländern reichlich Ausgangsmaterialien wie Elektronikschrott, aus denen sich Seltenerdmetalle gewinnen ließen, verdeutlicht Cotruvo. Doch sie sortenrein zu trennen, damit sie industriell auch tatsächlich genutzt werden können, sei aufwendig und umweltschädigend und damit weitaus teurer als Importe.

Für Magnete und Smartphones

Die 17 Seltenen Erden, darunter 15 Metalle, die als Lanthanide bezeichnet werden, werden üblicherweise in "leichte" und "schwere" Gruppen unterteilt, wobei die leichten weitaus häufiger vorkommen. Leider haben die häufigsten leichten Seltenerdmetalle, Lanthan und Cer, nur einen geringen Wert. Die anderen leichten Elemente, wie Praseodym und Neodym, sind deutlich wertvoller. Neodym ist ein wichtiger Bestandteil von Permanentmagneten, die in Smartphones und Maschinen für erneuerbare Energien wie Windturbinen verwendet werden. Praseodym wird für diese Anwendungen oft mit Neodym kombiniert.

Cotruvos Labor hatte bereits ein anderes Protein, LanM, identifiziert, das sich mit hoher Spezifität an alle Seltenerdmetalle bindet. Dies geschieht auf ähnliche Weise wie bei einem Schloss-und-Schlüssel-Mechanismus, wobei das Protein das Schloss und das Seltenerdmetall der Schlüssel ist. Sie können sehr gut zwischen schweren Seltenerdmetallen unterscheiden, aber sie sind nicht gut darin, die leichten Seltenerdmetalle zu trennen. Das gelingt jedoch mit LanD. Es wird in seiner Urform vom Methylobacterium extorquens hergestellt, einem in der Natur reichlich vorkommenden Mikroorganismus. LanM trennt schwere und leichte seltene Erden. Letztere werden an LanD übergeben, das bevorzugt das wertvolle Neodym bindet.

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