Группа исследователей из Чикагского университета, Пекинского университета и Аргоннской национальной лаборатории спроектировала белковый комплекс, который эффективно связывает растворенный в воде уран. Генетически кодируемая структура рассчитана вычислительными методами, но ее свойства подтвердились экспериментально (статья в Nature Chemistry).

Это первая известная демонстрация, когда для добычи урана из морской воды используется бактериальная система, сконструированная из натуральных белков.

Изобретенный белок, как сообщается, дешевле и эффективнее существующих методов добычи урана из океана. Он может найти широкое применение в промышленности и энергетике. Более того, биосистему можно модифицировать для связывания других ионов в низкой концентрации, то есть для добычи и других схожих материалов.

Уран играет важную роль как альтернатива углеводородному топливу. В то же время, запасы урана на Земле ограничены. По оценкам ученых, в мировом океане растворено в 1000 раз больше урана, чем находится в месторождениях на суше. К сожалению, там он представлен в форме растворимого уранила (UO₂²⁺) – положительного двухзарядного иона U (VI), причем в очень низких концентрациях ~3,2 частицы на 10⁹ (~13,7 нМ). Уранил связан с карбонатами и другими анионами. В морской воде много ионов других металлов в более высоких концентрациях, что делает задачу изоляции и избирательного связывания урана исключительно сложной.

Однако ученым удалось решить эту проблему методами биоинформатики. В природе не существует белков, которые связывают уранил, но исследователи применили вычислительный скрининг для поиска синтетического белка с указанным свойством — чтобы он мог связывать уранил. И такой белок удалось вычислить.

Во время скрининга ученые перебрали белки из базы Protein Data Bank. Когда нашли отдаленно подходящего кандидата, то его оптимизировали до нужного состояния.

Созданный термоустойчивый белок под названием Super Uranyl-binding Protein (SUP) эффективно связывает уран с константой диссоциации K_d = 7,4 фемтомоль и очень избирательно (более чем 10 000-кратная селективность к ионам других металлов).

Общая структура SUP и того фрагмента протеина, который осуществляет изоляцию уранила

Электростатическая схема поверхности SUP: синий цвет соответствует положительно заряженным регионам, красный цвет — отрицательно заряженным

Сравнение расчетной модели (пурпурным цветом) и кристаллической структуры SUP (синим)

Во время экспериментов, SUP извлек от 30% до 60% уранила, растворенного в искусственной морской воде. Если такое количество удастся добыть из мирового океана, то проблема дефицита урана будет решена на многие столетия.