Seltenerdmetalle sind eine Gruppe von chemischen Elementen, die in der heutigen Technologie von entscheidender Bedeutung sind, obwohl ihr Name irreführend ist. Trotz ihrer Bezeichnung sind diese Metalle nicht wirklich selten auf der Erde, sondern ihre Vorkommen sind ungleich verteilt, was ihnen eine wichtige geopolitische Bedeutung verleiht. Diese Metalle sind unerlässlich für viele Hightech-Anwendungen, von Smartphones bis hin zu Katalysatoren und Magneten, die beispielsweise in Windkraftanlagen verwendet werden.
Ein Team der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) unter der Leitung von Prof. Dr. Lena Daumann hat sich intensiv mit Seltenerdmetallen beschäftigt, insbesondere mit deren biologischen Bindungsmöglichkeiten und ihrer potenziellen Rolle bei der Entstehung des Lebens. In zwei aktuellen Studien, die in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht wurden, werden diese Aspekte näher beleuchtet.
Ein Teil der Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Peptiden, die in der Lage sind, Seltenerdmetalle zu binden. Die Studie mit dem Titel „Reversing Lanmodulin’s Metal-Binding Sequence in Short Peptides Surprisingly Increases the Lanthanide Affinity“ untersucht, wie kurzkettige Eiweißmoleküle, inspiriert von einem metallbindenden Protein namens Lanmodulin, eine hohe Affinität zu diesen Metallen aufweisen können. Dr. Sophie M. Gutenthaler-Tietze, Erstautorin der Studie, erklärt, dass die Peptide ursprünglich aus einem Synthesefehler entstanden sind. Durch die Umkehrung der Aminosäuresequenz im Vergleich zum natürlichen Lanmodulin wurde eine signifikante Steigerung der Bindungsstärke zu Seltenerdmetallen erreicht. Die Forscher entdeckten strukturelle Merkmale, die für diese hohe Affinität verantwortlich sind, und konnten diese Affinität weiter optimieren, sodass sie in den niedrigen nanomolaren Bereich verschoben werden konnte. Diese neu entwickelten Peptide könnten eine vielversprechende Basis für nachhaltige Recyclingmethoden von Seltenerdmetallen darstellen, indem sie bereits genutzte Ressourcen zurückgewinnen und somit zur Reduzierung von Umweltschäden beitragen.
Die zweite Studie mit dem Titel „Influence of Rare Earth Elements on Prebiotic Reaction Networks Resembling the Biologically Relevant Krebs Cycle“ beleuchtet die Rolle von Seltenerdmetallen in der Entstehung des Lebens auf der Erde. Vor über 3,5 Milliarden Jahren begannen auf der abiotischen Erde kleine organische Moleküle unter geeigneten Bedingungen zu reagieren, was zur Bildung komplexerer Strukturen führte, die Vorläufer biologischer Makromoleküle wurden. Bisher wurde angenommen, dass vor allem Metalle wie Eisen als Katalysatoren in diesen chemischen Reaktionen eine zentrale Rolle spielten. Die neue Studie zeigt jedoch, dass auch Seltenerdmetalle in diesem Prozess eine wesentliche Funktion gehabt haben könnten.
Dr. Jonathan Gutenthaler-Tietze, Erstautor der zweiten Studie, hebt hervor, dass ihre Untersuchungen erstmals systematisch die Fähigkeit von Seltenerdmetallen analysierten, präbiotische Reaktionen zu begünstigen. Die Forscher konnten nachweisen, dass Seltenerdmetalle in der Lage sind, zentrale chemische Reaktionen zu moderieren, die für die Entstehung des Lebens von Bedeutung sind. Sie identifizierten sieben von elf biologischen Intermediaten des Krebszyklus, die in Anwesenheit dieser Metalle nachgewiesen werden konnten. Der Krebszyklus ist ein fundamentaler Bestandteil des Energiestoffwechsels aller Lebewesen, und die Ergebnisse zeigen, dass Seltenerdmetalle eine bislang unterschätzte Rolle in der präbiotischen Chemie spielen könnten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die jüngsten Forschungen zur Rolle der Seltenerdmetalle sowohl in der Biochemie als auch in der Erforschung der Lebensentstehung vielversprechende Perspektiven eröffnen. Die Erkenntnisse der Arbeitsgruppe an der HHU tragen dazu bei, die Möglichkeiten zur Nutzung dieser Elemente in der Technik und in der biochemischen Forschung zu erweitern. Indem wir das Verständnis für die Funktion von Seltenerdmetallen in biologischen Prozessen vertiefen, können wir innovative Ansätze zur nachhaltigen Nutzung dieser wertvollen Ressourcen entwickeln und gleichzeitig die Grundlagen der Chemie des Lebens weiter entschlüsseln.
