Genetisch gemanipuleerd virus fungeert als ‘slimme spons’ om zeldzame aardmetalen uit water te halen

De huidige hightech elektronica en groene energietechnologieën zouden niet functioneren zonder zeldzame aardelementen (REE’s). Deze 17 metalen bezitten unieke eigenschappen die essentieel zijn voor het maken van voorwerpen zoals de fosforen die de schermen van onze mobiele telefoons verlichten en de krachtige magneten die worden gebruikt in elektrische voertuigen en windturbines. Maar het extraheren van deze stoffen uit grondstoffen is een smerig proces dat afhankelijk is van giftige chemicaliën en vervuild afval achterlaat.

Nu heeft een team van door UC Berkeley geleide onderzoekers dit probleem mogelijk opgelost, dankzij een klein virus.

Als gemeld in Nano-brievenhebben de onderzoekers een onschadelijk virus genetisch gemanipuleerd om te fungeren als een ‘slimme spons’ die zeldzame aardmetalen uit water haalt en deze, met een zachte verandering in temperatuur en zuurgraad (pH), vrijgeeft voor verzameling. Hun ongebruikelijke, baanbrekende aanpak zou kunnen leiden tot een ‘schoon’ biologisch alternatief voor traditionele extractiemethoden voor REE’s en andere kritische elementen.

“Dit is een belangrijke stap in de richting van duurzamere mijnbouw en terugwinning van hulpbronnen”, zegt hoofdonderzoeker Seung-Wuk Lee, hoogleraar bio-engineering aan UC Berkeley en faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory. “Onze biologische oplossing biedt een groenere, goedkope en recycleerbare manier om de kritieke materialen veilig te stellen die we nodig hebben voor een schone energietoekomst en tegelijkertijd het milieu te helpen beschermen.”

Hij voegde eraan toe: “Ons werk heeft ook het potentieel om een ​​enorm probleem met de toeleveringsketen voor dit land op te lossen. Door de mijnbouw van zeldzame aardmetalen milieuvriendelijk en schaalbaar te maken op Amerikaanse bodem, zou deze technologie kunnen helpen de binnenlandse aanvoer van deze cruciale mineralen veilig te stellen, waardoor onze nationale en economische veiligheid wordt vergroot.”

De sleutel tot hun aanpak was het transformeren van de bacteriofaag – een virus dat alleen bacteriën infecteert en onschadelijk is voor mens en milieu – in een ‘zeer selectieve recyclingmachine’.

De onderzoekers bereikten dit door twee gespecialiseerde eiwitten aan het virusoppervlak toe te voegen. Eén eiwit, lanthanide-bindend peptide, werkt als een moleculaire klauw, afgestemd op het grijpen van REE’s. De andere, een peptide met elastinemotief, fungeert als een eenvoudige, niet-giftige, temperatuurgevoelige schakelaar: wanneer het virus zachtjes wordt verwarmd, valt het samen met de REE’s uit de oplossing.

“Deze nieuwe aanpak, bekend als biomining, laat zien dat we een programmeerbaar, biologisch hulpmiddel kunnen gebruiken om een ​​complexe industriële taak uit te voeren waarvoor momenteel giftige chemicaliën en veel energie nodig zijn”, aldus Lee. “Onze methode is niet alleen milieuvriendelijk, maar ook ongelooflijk eenvoudig, waarbij weinig meer nodig is dan een mengtank en een verwarming.”

Als onderdeel van deze studie hebben de onderzoekers met succes de effectiviteit van dit systeem getest door de kunstmatige virussen toe te voegen aan de drainage van zure mijnen. De virussen hechtten zich onmiddellijk aan ionen van zeldzame aardmetalen in de drainage en negeerden alle andere metalen.

Door de oplossing voorzichtig te verwarmen, zorgden de onderzoekers ervoor dat de virussen samenklonterden en naar de bodem van de tank zonken. Na het aftappen van de vloeistof bleven de onderzoekers achter met een geconcentreerd slib van virussen en afgevangen metalen. Als laatste stap pasten ze de pH van deze stoofpot aan, waardoor de virussen de pure metaalionen vrijgaven voor de oogst.

De onderzoekers ontdekten ook dat de virussen na voltooiing van de klus hun effectiviteit niet verloren, waardoor ze herbruikbaar werden. Bovendien kunnen onderzoekers gemakkelijk en goedkoop grote hoeveelheden van het virus kweken door simpelweg bacteriën ermee te infecteren, omdat deze zich dan zelf zullen vermenigvuldigen.

Dit innovatieve werk is een “natuurlijke uitbreiding” van eerder onderzoek uitgevoerd door Lee en zijn laboratorium. Tot nu toe hebben ze dit op virussen gebaseerde raamwerk gebruikt om zeer gevoelige biosensoren, elektrische generatoren en moleculaire ‘Lego’s’ te creëren die fungeren als steigers om menselijke weefsels te helpen teruggroeien.

“De afgelopen twintig jaar hebben we een nieuwe toolkit ontwikkeld op basis van kunstmatige virussen als krachtige, programmeerbare tools voor nieuwe technologieën”, zei hij. “Dit nieuwste project breidt onze op virussen gebaseerde toolkit uit om tegemoet te komen aan de kritieke behoefte aan duurzaam herstel van hulpbronnen.”

Naast het winnen van REE’s uit mijnafvalwater, voorzien de onderzoekers dat dit platform wordt gebruikt voor andere kritische toepassingen, waaronder het oogsten van REE’s uit elektronisch afval, zoals oude telefoons of laptops, en voor milieusanering.

“Door de genetische instructies van het virus te veranderen, kunnen we het zo afstemmen dat het selectief andere vitale elementen opvangt, zoals lithium en kobalt voor batterijen, metalen uit de platinagroep voor katalysatoren, of zelfs om giftige zware metalen zoals kwik en lood uit onze watervoorziening te verwijderen”, zegt Lee.

“Uiteindelijk is dit werk een fundamentele stap in de richting van een nieuwe generatie slimme, op virussen gebaseerde materialen die ons kunnen helpen een werkelijk circulaire en duurzame economie op te bouwen.”