Seltenerdmetalle – Von Peptiden und dem Ursprung des Lebens

Heutzutage spielen die 17 Elemente aus der Gruppe der Seltenerdmetalle eine zentrale Rolle in der modernen Technik und Industrie. Mit diesen chemisch sehr ähnlichen Elementen befasst sich die Arbeitsgruppe Bioanorganische Chemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) auf vielfältige Weise und veröffentlichte dazu jüngst zwei Studien: Während die eine Untersuchung Peptide in den Fokus rückt, die diese Metalle binden können, beleuchtet die andere deren potenzielle Bedeutung für die Entstehung des Lebens.

Zur Gruppe der Seltenen Erden gehören neben Scandium und Yttrium auch Lanthan, Cer, Neodym sowie das radioaktive Promethium. Trotz ihres irreführenden Namens sind diese Stoffe in der Erdkruste keineswegs extrem rar; ihre Vorkommen sind jedoch weltweit sehr ungleich verteilt, was ihnen eine enorme geopolitische Relevanz verleiht. Da sie für zahlreiche Hightechanwendungen – von Smartphones und optischen Komponenten über Katalysatoren bis hin zu starken Magneten für Windkraftanlagen – unverzichtbar sind, gelten sie als Schlüsselressourcen der Gegenwart.

Wie Organismen Seltenerdmetalle aufnehmen

Unter der Leitung von Prof. Dr. Lena Daumann erforscht die Arbeitsgruppe Bioanorganische Chemie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) die Mechanismen, mit denen Organismen Seltenerdmetalle aufnehmen. Das Ziel dieser Forschung ist es, diese biologischen Prozesse technologisch nutzbar zu machen – etwa für die effiziente Gewinnung der Elemente oder das Recycling aus Altgeräten.

In der aktuellen Studie „Reversing Lanmodulin’s Metal-Binding Sequence in Short Peptides Surprisingly Increases the Lanthanide Affinity“, die in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) entstand, untersuchte das Team kurzkettige Eiweißmoleküle. Diese Peptide wurden durch das Protein Lanmodulin inspiriert, das natürlicherweise im Bakterium Methylorubrum extorquens AM1 vorkommt und Seltenerdmetalle bindet. Die in Düsseldorf synthetisierten Varianten zeigten dabei eine bemerkenswert hohe Bindungskraft.

Dr. Sophie M. Gutenthaler-Tietze beschreibt die Entdeckung wie folgt: „Tatsächlich geht die Entwicklung dieser kurzkettigen Peptide ursprünglich auf einen Synthesefehler zurück. Wir haben unbeabsichtigt die Aminosäurenabfolge im Peptid im Vergleich zu derjenigen im natürlichen Protein Lanmodulin umgekehrt. Spannenderweise haben die so entstandenen Peptide eine um eine Größenordnung höhere Affinität zu Seltenerdmetallen als ihre natürlichen Pendants.“

Durch die Zusammenarbeit mit den Dresdner Kollegen konnten die strukturellen Merkmale identifiziert werden, die für diese starke Bindung verantwortlich sind. Prof. Daumann erläutert das Potenzial der Ergebnisse: „Auf dieser Grundlage optimierten wir die Affinität weiter und konnten sie so in den niedrigen nanomolaren Bereich verschieben. Die untersuchten Peptide bilden eine ideale Basis, um nachhaltige, biologisch-inspirierte Recyclingmethoden für Seltenerdmetallen zu entwickeln. Indem wir bereits genutzte Ressourcen zurückgewinnen, entlasten wir nicht nur die Umwelt, sondern machen uns auch rohstoffpolitisch unabhängiger.“

Die Rolle der Seltenerdmetalle bei der Entstehung des frühesten Lebens

In einer zweiten Untersuchung mit dem Titel „Influence of Rare Earth Elements on Prebiotic Reaction Networks Resembling the Biologically Relevant Krebs Cycle“ widmet sich das Team einem gänzlich anderen Aspekt: der potenziellen Rolle von Seltenerdmetallen bei der Entstehung des frühen Lebens. Vor über 3,5 Milliarden Jahren begannen auf der noch unbelebten Erde einfache organische Bausteine zu komplexeren Strukturen zu reagieren, die als Vorläufer biologischer Makromoleküle gelten. Während bisher vor allem Metalle wie Eisen als wahrscheinliche Katalysatoren im Fokus standen, wurde der Einfluss von Seltenerdmetallen bislang kaum in Betracht gezogen.

Hierzu erklärt der Erstautor Dr. Jonathan Gutenthaler-Tietze: „Wir haben erstmals systematisch untersucht, ob diese Elemente in einem präbiotischen Szenario Reaktionen begünstigen. Und tatsächlich können Seltenerdmetalle zentrale chemische Reaktionen moderieren. Ausgehend von Glyoxylat und Pyruvat, zwei einfachen organischen Säuren, die als potenzielle Ausgangsstoffe des frühen Lebens gelten, wiesen wir in Anwesenheit der Seltenerdmetalle sieben von elf Intermediaten des biologischen ‚Krebszyklus‘ nach.“ Da dieser Zyklus das Herzstück des Energiestoffwechsels aller heute bekannten Lebewesen bildet, ist der Nachweis dieser Zwischenprodukte in einem komplexen Reaktionsnetzwerk von besonderer Bedeutung.

Abschließend betont Prof. Daumann die Relevanz der physikalischen Eigenschaften dieser Elemente: „Die Ionenradien der Seltenerdmetalle sind entscheidend für ihre Reaktivität. Wir sahen außerdem, dass bereits sehr geringe Metallkonzentrationen ausreichen, um das Reaktionsnetzwerk deutlich zu beeinflussen. Die Ergebnisse rücken somit eine bislang unterschätzte Gruppe von Metallen in den Fokus der präbiotischen Forschung.“

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (12/2025)