Высокотехнологичная электроника и зелёная энергетика не могут функционировать без редкоземельных элементов (РЗЭ)
Редкие земли — это 17 металлов, которые обладают уникальными свойствами, необходимыми для создания таких предметов, как люминофоры, освещающие дисплеи наших мобильных телефонов, и мощные магниты, используемые в электромобилях и ветряных турбинах. Однако извлечение этих веществ из сырья — грязный процесс, который использует токсичные химикаты и оставляет после себя загрязнённые отходы.
Команда исследователей из Калифорнийского университета в Беркли, возможно, решила эту проблему
Как [сообщается](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04468) в Nano Letters, учёные генетически сконструировали [безвредный вирус](https://phys.org/tags/harmless+virus/), чтобы он действовал как «умная губка», захватывающая редкоземельные металлы из воды, а при мягком изменении температуры и кислотности (pH) высвобождал их для сбора. Их необычный новаторский подход может привести к созданию «чистой» биологической альтернативы традиционным методам извлечения РЗЭ и других важных элементов.
Профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Беркли и научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, главный исследователь Сунг-Вук Ли, сказал: «Это значительный шаг к более устойчивой добыче полезных ископаемых и восстановлению ресурсов». Их биологическое решение предлагает более экологичный, недорогой и перерабатываемый способ обеспечения критически важными материалами, необходимыми для будущего чистой энергетики, одновременно помогая защитить окружающую среду.
Ключ к их подходу — превращение бактериофага в «высокоселективную машину для переработки»
Исследователи добились этого, добавив к поверхности вируса два специализированных белка. Один белок, лантан-связывающий пептид, действует как молекулярный коготь, настроенный на захват РЗЭ. Другой, пептид с эластиновым мотивом, действует как простой, нетоксичный, чувствительный к температуре переключатель: когда вирус мягко нагревают, он выпадает из раствора вместе с РЗЭ.
«Этот новый подход, известный как биодобыча, показывает, что мы можем использовать программируемый биологический инструмент для выполнения сложной промышленной задачи, которая в настоящее время требует токсичных химикатов и большого количества энергии», — сказал Ли. «Наш метод не только экологически безопасен, но и невероятно прост, требуя лишь смеситель и нагреватель».
В рамках этого исследования учёные успешно протестировали эффективность системы, добавив генетически сконструированные вирусы в [кислые шахтные стоки](https://phys.org/tags/acid+mine+drainage/). Вирусы немедленно прикрепились к ионам редкоземельных элементов в стоках, игнорируя все другие металлы.
Мягко нагрев раствор, исследователи заставили вирусы слипнуться и опуститься на дно резервуара. После слива жидкости учёные получили концентрированный осадок из вирусов и захваченных металлов. На последнем этапе они отрегулировали pH этого осадка, заставив вирусы высвободить чистые ионы металлов для сбора.
Исследователи также обнаружили, что вирусы не теряли своей эффективности после выполнения работы, что делает их пригодными для повторного использования. Кроме того, исследователи могут легко и дёшево выращивать огромное количество вирусов, просто заражая ими бактерии, которые затем будут самовоспроизводиться.
Эта инновационная работа является «естественным продолжением» предыдущих исследований, проведённых Ли и его лабораторией. В течение последних 20 лет они использовали этот основанный на вирусах фреймворк для создания высокочувствительных биосенсоров, электрических генераторов и молекулярных «Лего», которые действуют как каркас для регенерации тканей человека.
«В течение последних 20 лет мы разрабатывали новый инструментарий, основанный на генетически модифицированных вирусах, как на мощных программируемых инструментах для новых технологий», — сказал он. «Этот последний проект расширяет наш инструментарий на основе вирусов для решения критически важной задачи по устойчивому восстановлению ресурсов».
Помимо извлечения РЗЭ из шахтных вод, исследователи предполагают, что эту платформу можно будет использовать для других важных применений, включая сбор РЗЭ из электронных отходов, таких как старые телефоны или ноутбуки, а также для очистки окружающей среды.
«Изменяя генетические инструкции вируса, мы можем настроить его на выборочный захват других жизненно важных элементов, таких как литий и кобальт для аккумуляторов, металлы платиновой группы для катализаторов или даже для удаления токсичных тяжёлых металлов, таких как ртуть и свинец, из наших источников воды», — сказал Ли.
«В конечном счёте, эта работа — основополагающий шаг к созданию нового поколения умных материалов на основе вирусов, которые могут помочь нам построить действительно циклическую и устойчивую экономику».
Предоставлено [University of California — Berkeley](https://phys.org/partners/university-of-california—berkeley/)