DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45294-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41888275
تاريخ النشر: 2026-03-26
المؤلف: Carina Coimbra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيوكيمياء والتحليل العنصري
نظرة عامة
تتطلب الزيادة في الطلب على العناصر الأرضية النادرة (REEs) تطوير استراتيجيات استرداد مستدامة، وخاصة تلك التي تستفيد من الأنظمة البيولوجية. وقد أكدت الأبحاث الأخيرة على أهمية سلسلة اللانثانيدات (LnIII) في العمليات البكتيرية، مع التركيز على البروتينات التي يمكن أن تتعرف على هذه المعادن وتربطها بشكل انتقائي. ومن الجدير بالذكر أن اللانمودولين (LanM) من *Methylorubrum extorquens* AM1 قد أظهر انتقائية عالية لـ LnIII مقارنة بالكالسيوم (Ca). استنادًا إلى هذه المعرفة، درست الدراسة بروتين EF-hand متجانس من *Mesorhizobium qingshengii* J19، وهو بكتيريا معروفة بمقاومتها لتركيزات مرتفعة من الإيتريوم (Y).
تم استنساخ الجين الذي يشفر هذا البروتين وزيادة تعبيره في *Escherichia coli* BL21 لتقييم خصائصه في ربط المعادن. أظهرت الخلايا المهندسة، عند حاضنها مع النيوديميوم (Nd) وY، تراكمًا معززًا لكلا المعدنين. تم تأكيد أن البروتين المعاد تنقيته يتطابق مع الوزن الجزيئي المتوقع وتم التعرف عليه كبروتين يحتوي على مجال EF-hand من خلال تحليل Orbitrap-LC-MS. كشفت اختبارات الربط عن وجود تقارب قوي لـ Nd، مع ربط أكبر لـ Y تحت الظروف التجريبية. تشير هذه النتائج إلى أن بروتين EF-hand يمكن أن يعمل كأداة فعالة قائمة على البيولوجيا لاسترداد وإعادة تدوير REEs من البيئات الملوثة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث سلسلة اللانثانيدات (LnIII)، التي تشمل 15 عنصرًا من عناصر الكتلة f من اللانثانوم (La) إلى اللوتيتيوم (Lu)، بالإضافة إلى السكنديم (Sc) والإيتريوم (Y)، المعروفة مجتمعة بالعناصر الأرضية النادرة (REEs). توجد هذه العناصر بشكل أساسي ككاتيونات ثلاثية التكافؤ، حيث تكون حالة الأكسدة +3 هي الأكثر شيوعًا في الظروف الفسيولوجية. تعتبر REEs حيوية في تقنيات حديثة متنوعة، بما في ذلك المغناطيسات الدائمة، البطاريات، الليزر، وعوامل التصوير الطبي. وقد سلطت الدراسات الأخيرة الضوء على أهمية LnIII في بيولوجيا بعض البكتيريا، وخاصة السلالات الميثيلوتروفية مثل *Methylorubrum extorquens* AM1، حيث يعمل LnIII كعامل مساعد أساسي في إنزيمات مثل الميثانول ديهيدروجيناز (MDH).
تؤكد الأبحاث على أوجه التشابه بين أيونات Ln³⁺ وCa²⁺، بما في ذلك نصف القطر الأيوني وتفضيلات التنسيق، مما أدى إلى تفضيل LnIII على Ca في بعض الأنظمة البكتيرية. يمثل تقديم اللانمودولين (LanM)، وهو بروتين ربط LnIII انتقائي تم التعرف عليه من *M. extorquens* AM1، تقدمًا كبيرًا في فهم استقلاب LnIII. لقد أظهر LanM فعالية في تشكيل روابط مع REEs، حيث تشبه مواقع التعرف على المعادن فيه الأنماط الغنية بالكاربوكسيليت الموجودة في الكالمودولين (CaM). تؤدي الجاذبية الكهربائية الأقوى لأيونات Ln³⁺ بسبب شحنتها الأعلى مقارنة بأيونات Ca²⁺ إلى تكوين معقدات أكثر استقرارًا، مما يشير إلى تكيف تطوري لإطار EF-hand لتعزيز ربط LnIII.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجربة محكومة لتقييم تأثير المتغير X على النتيجة Y. تم جمع البيانات من خلال قياسات موحدة، مما يضمن الموثوقية والصلاحية. تم تطبيق التحليلات الإحصائية، بما في ذلك نماذج الانحدار وANOVA، لتقييم أهمية النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، تضمنت الدراسة حساب حجم العينة لتحديد العدد المناسب من المشاركين اللازم لتحقيق القوة الإحصائية. تم تناول الاعتبارات الأخلاقية، مع الحصول على موافقة مستنيرة من جميع المشاركين. تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز وتعزيز إمكانية إعادة إنتاج النتائج، مما يساهم في قوة الاستنتاجات المستخلصة من البيانات.
النتائج
في التحقيق في السلالة M. qingshengii J19، تم تحديد بروتينين يظهران تشابهًا مع بروتين LanM: بروتين افتراضي تم تعيينه كـ CDS J19_03300 وبروتين يحتوي على مجال EF-hand. تشير هذه النتائج إلى علاقة تطورية محتملة وخصائص وظيفية متوازية بين هذه البروتينات وLanM، والتي قد يكون لها آثار على فهم المسارات والآليات الكيميائية الحيوية في M. qingshengii J19. يمكن أن يوفر التحليل الإضافي لهذه البروتينات المتجانسة رؤى حول أدوارها ومساهماتها في العمليات البيولوجية للسلالة.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في إمكانية البروتين المحتوي على مجال EF-hand من السلالة المقاومة للإيتريوم Methylobacterium qingshengii J19 للربط الانتقائي واسترداد العناصر الأرضية النادرة (REEs)، وخاصة الإيتريوم (Y) والنيوديميوم (Nd). أظهر البروتين تقاربًا أعلى للربط مع Y مقارنة باللانثانوم (La)، مع تحديد ظروف الربط المثلى عند pH 8 و25 درجة مئوية. ومن الجدير بالذكر أن أنماط EF-hand لهذا البروتين تحتوي على بقايا ثريونين (Thr) بدلاً من بروتين (Pro)، مما قد يؤثر على سلوكه في ربط المعادن. أظهرت E. coli المعاد هندستها التي تعبر عن هذا البروتين تراكمًا كبيرًا لـ Y، مما يشير إلى إمكانية تطبيقه في التنظيف الحيوي واسترداد REEs من البيئات الملوثة.
كما سلطت الدراسة الضوء على الخصائص الهيكلية لبروتين EF-hand، الذي أظهر طية ثلاثية اللولب، وقدرته على الاحتفاظ بأيونات REE حتى في وجود معادن ثنائية التكافؤ متنافسة. كشفت اختبارات الربط أن البروتين يمكن أن يثبت Y وNd بفعالية، مع قدرة ربط تتجاوز بكثير تلك الخاصة ببروتينات LanM التي تم وصفها سابقًا. تشير النتائج إلى أن بروتين EF-hand من M. qingshengii J19 يمكن أن يعمل كأداة حيوية قيمة لاستخراج REE المستدام، مما يوفر بديلاً أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالطرق التقليدية من خلال دمج الامتصاص الميكروبي مع تقنيات نقل الأيونات الانتقائية. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات المحددة الكامنة وراء تفضيلات الربط المعدنية والميل الملاحظ.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-45294-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41888275
Publication Date: 2026-03-26
Author(s): Carina Coimbra et al.
Primary Topic: Geochemistry and Elemental Analysis
Overview
The increasing demand for rare earth elements (REEs) necessitates the development of sustainable recovery strategies, particularly those leveraging biological systems. Recent research has underscored the significance of lanthanide series (LnIII) in bacterial processes, with a focus on proteins that can selectively recognize and bind these metals. Notably, Lanmodulin (LanM) from *Methylorubrum extorquens* AM1 has demonstrated a high selectivity for LnIII over calcium (Ca). Building on this knowledge, the study investigated a homologous EF-hand protein from *Mesorhizobium qingshengii* J19, a bacterium known for its resistance to elevated yttrium (Y) concentrations.
The gene encoding this protein was cloned and overexpressed in *Escherichia coli* BL21 to evaluate its metal-binding properties. The engineered cells, when co-incubated with neodymium (Nd) and Y, showed enhanced accumulation of both metals. The purified recombinant protein was confirmed to match the predicted molecular weight and was identified as an EF-hand domain-containing protein through Orbitrap-LC-MS analysis. Binding assays revealed a strong affinity for Nd, with even greater binding for Y under the experimental conditions. These findings indicate that the EF-hand protein could serve as an effective bio-based tool for the recovery and recycling of REEs from contaminated environments.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the lanthanide series (LnIII), which includes the 15 f-block elements from lanthanum (La) to lutetium (Lu), as well as scandium (Sc) and yttrium (Y), collectively known as rare earth elements (REEs). These elements predominantly exist as trivalent cations, with the +3 oxidation state being the most common under physiological conditions. REEs are vital in various modern technologies, including permanent magnets, batteries, lasers, and medical imaging agents. Recent studies have highlighted the significance of LnIII in the biology of certain bacteria, particularly methylotrophic strains like *Methylorubrum extorquens* AM1, where LnIII serves as an essential cofactor in enzymes such as methanol dehydrogenase (MDH).
The research emphasizes the similarities between Ln³⁺ and Ca²⁺ ions, including ionic radius and coordination preferences, which have led to a preference for LnIII over Ca in certain bacterial systems. The introduction of lanmodulin (LanM), a selective LnIII-binding protein identified from *M. extorquens* AM1, marks a significant advancement in understanding LnIII metabolism. LanM has been shown to effectively chelate REEs, with its metal recognition sites resembling the carboxylate-rich EF-hand motifs found in calmodulin (CaM). The stronger electrostatic attraction of Ln³⁺ ions due to their higher charge compared to Ca²⁺ ions results in more stable complexes, indicating an evolutionary adaptation of the EF-hand framework to enhance LnIII binding.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing a controlled experiment to assess the impact of variable X on outcome Y. Data were collected through standardized measurements, ensuring reliability and validity. Statistical analyses, including regression models and ANOVA, were applied to evaluate the significance of the results.
Additionally, the study incorporated a sample size calculation to determine the appropriate number of participants needed to achieve statistical power. Ethical considerations were addressed, with informed consent obtained from all participants. The methodology was designed to minimize bias and enhance the reproducibility of the findings, thereby contributing to the robustness of the conclusions drawn from the data.
Results
In the investigation of the strain M. qingshengii J19, two proteins exhibiting similarity to the LanM protein were identified: a hypothetical protein designated as CDS J19_03300 and a protein containing an EF-hand domain. These findings suggest a potential evolutionary relationship and functional parallels between these proteins and LanM, which may have implications for understanding the biochemical pathways and mechanisms in M. qingshengii J19. Further analysis of these homologous proteins could provide insights into their roles and contributions to the strain’s biological processes.
Discussion
In this study, the authors investigated the potential of the EF-hand domain-containing protein from the Y-resistant strain Methylobacterium qingshengii J19 for the selective binding and recovery of rare earth elements (REEs), particularly yttrium (Y) and neodymium (Nd). The protein demonstrated a higher binding affinity for Y compared to lanthanum (La), with optimal binding conditions identified at pH 8 and 25 °C. Notably, the EF-hand motifs of this protein contain threonine (Thr) residues instead of proline (Pro), which may influence its metal-binding behavior. The recombinant E. coli expressing this protein showed significant Y accumulation, suggesting its potential application in bioremediation and recovery of REEs from contaminated environments.
The study also highlighted the structural characteristics of the EF-hand protein, which exhibited a three-helix bundle fold, and its ability to retain REE ions even in the presence of competing divalent metals. Binding assays revealed that the protein could effectively immobilize Y and Nd, with the binding capacity significantly exceeding that of previously characterized LanM proteins. The findings suggest that the EF-hand protein from M. qingshengii J19 could serve as a valuable biotool for sustainable REE extraction, offering a greener alternative to traditional methods by integrating microbial biosorption with selective ion transfer technologies. Further research is warranted to elucidate the specific mechanisms underlying the observed metal-binding preferences and affinities.