Генно-инженерный вирус действует как «умная губка» для извлечения редкоземельных элементов из воды
Современная высокотехнологичная электроника и «зеленая» энергетика не могут функционировать без редкоземельных элементов (РЗЭ). Эти 17 металлов обладают уникальными свойствами, необходимыми для создания таких вещей, как люминофоры в дисплеях мобильных телефонов и мощные магниты для электромобилей и ветряных турбин. Однако их добыча из сырья — грязный процесс, основанный на токсичных химикатах и оставляющий загрязненные отходы.
Исследователи под руководством Калифорнийского университета в Беркли, возможно, решили эту проблему с помощью крошечного вируса.
Как сообщается в Nano Letters, ученые генетически модифицировали безвредный вирус, чтобы он действовал как «умная губка», захватывающая РЗЭ из воды, а затем, при мягком изменении температуры и кислотности (pH), высвобождающая их для сбора. Этот необычный, прорывной подход может стать «чистой» биологической альтернативой традиционным методам добычи РЗЭ и других критически важных элементов.
«Это значительный шаг к более устойчивой добыче и восстановлению ресурсов», — заявил главный исследователь Сын-Вук Ли, профессор биоинженерии в UC Berkeley. «Наше биологическое решение предлагает более экологичный, дешевый и пригодный для повторного использования способ получения критически важных материалов для чистого энергетического будущего, одновременно защищая окружающую среду».
Ключом к их подходу стало превращение бактериофага — вируса, поражающего только бактерии и безвредного для людей и окружающей среды — в «высокоселективную машину для рециклинга».
Исследователи добились этого, добавив на поверхность вируса два специализированных белка. Один белок, лантанид-связывающий пептид, действует как молекулярная «клешня», настроенная на захват РЗЭ. Другой, пептидный мотив эластина, служит простым, нетоксичным, термочувствительным переключателем: при мягком нагреве вирус 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 экологичен, но и невероятно прост, требуя не более чем смесительного резервуара и нагревателя».
В рамках исследования ученые успешно протестировали систему, добавив модифицированные вирусы в кислые шахтные воды. Вирусы немедленно присоединились к ионам РЗЭ в стоках, игнорируя все другие металлы.
Слегка нагрев раствор, исследователи заставили вирусы слипаться и оседать на дно резервуара. После слива жидкости остался концентрированный осадок из вирусов и захваченных металлов. На последнем этапе они изменили pH этой смеси, заставив вирусы высвободить чистые ионы металлов для сбора.
Исследователи также обнаружили, что вирусы не теряют своей эффективности после выполнения работы, что делает их пригодными для повторного использования. Кроме того, можно легко и дешево выращивать огромные количества вируса, просто заражая им бактерии, после чего они будут самовоспроизводиться.
Эта инновационная работа является «естественным продолжением» предыдущих исследований Ли и его лаборатории. До сих пор они использовали эту вирусную платформу для создания высокочувствительных биосенсоров, электрогенераторов и молекулярных «Лего», служащих каркасом для регенерации человеческих тканей.
Помимо извлечения РЗЭ из шахтных сточных вод, исследователи предполагают, что эту платформу можно использовать для других критически важных применений, включая сбор РЗЭ из электронных отходов (старых телефонов или ноутбуков) и для восстановления окружающей среды.
«Изменяя генетические инструкции вируса, мы можем настроить его на селективный захват других жизненно важных элементов, таких как литий и кобальт для аккумуляторов, металлы платиновой группы для катализаторов, или даже на удаление токсичных тяжелых металлов, таких как ртуть и свинец, из водных ресурсов», — сказал Ли.
«В конечном счете, эта работа является фундаментальным шагом к новому поколению умных материалов на основе вирусов, которые помогут нам построить по-настоящему циркулярную и устойчивую экономику».