金属离子在所有生命领域的生物系统中都发挥着重要作用，它们参与多种细胞功能，包括结构形成、调控网络以及酶促反应等1, 2, 3, 4。在酶中已得到充分研究的金属中心大多由d区过渡元素构成。由于这些元素具有部分填充的d轨道以及可呈现不同氧化态的特性，因此能够执行碳基化合物无法实现的生物功能。不过，由于过渡金属本身具有氧化还原活性以及产生自由基的能力，过高的浓度可能会带来毒性，因此在生物系统中需要对其加以严格控制5, 6。为此，生物界通过进化出一组能够感知、储存和运输金属的金属特异性蛋白，从而维持金属元素的稳态。
过去，人们认为稀土元素与生物系统无关。然而，后来在一种甲烷氧化菌中发现了一种依赖吡咯喹啉醌的酒精脱氢酶，而这种酶需要镧系元素作为必需的辅因子，这一发现打破了原有的观念[7]。依赖吡咯喹啉醌的甲醇脱氢酶以吡咯喹啉醌作为氧化还原辅因子，该辅因子嵌入8叶状的β螺旋结构中，其活性位点则由金属离子占据。在依赖镧系元素的甲醇脱氢酶中，三价镧系离子会占据金属结合位点，而传统的MxaFI型甲醇脱氢酶则由钙离子承担这一功能。金属离子会与吡咯喹啉醌的C5位羰基结合，增强其亲电性，从而促进氢负离子的转移。在催化过程中，甲醇会与吡咯喹啉醌辅因子相邻结合，使得氢负离子可以直接从底物转移到吡咯喹啉醌的C5位置，进而使甲醇发生两电子氧化反应。被还原的吡咯喹啉醌随后会通过电子转移被外部受体氧化，通常是细胞色素c，从而完成整个催化循环[7]。自这一最初发现以来，又有多种稀土元素结合蛋白被报道出来，人们对稀土元素在微生物生理功能中的作用也有了更深入的了解。如今人们已经认识到，稀土元素在生物学中有着广泛的影响8, 9, 10。不过，即便在今天，细菌中稀土元素稳态维持机制仍不为人所熟知，这类机制包括用于结合、运输和解毒的特定蛋白质，这些蛋白质统称为“镧系元素调控系统”[9]。除了天然的稀土元素结合系统外，通过蛋白质工程设计的合成镧系元素结合载体也具有极高的亲和力，其中就有一种基于TIM桶结构的蛋白质，被设计用来与三价镧系离子结合[11]。
醛酮还原酶是一类结构多样的单体酶，它们通常采用α/β桶状结构，能够催化非金属依赖性的有序双分子反应机制，这类反应中首先会有烟酰胺辅因子以伸展状态与酶结合，之后才是底物结合[12]。酒精脱氢酶D是一种来自猛烈热球菌的耐热醛酮还原酶，它能催化中链仲醇的氧化反应，其对2,3-丁二醇的催化活性最高13, 14。这种酶可以在大肠杆菌中通过重组表达方式大量生产，产量可达100毫克/升，而且由于其耐热性，可以通过加热处理轻松去除中间稳定性蛋白，从而实现高效纯化。目前人们已经对这种酶进行了大量研究，并对其进行了多种改造，包括改变辅因子选择性15, 16、底物选择性17, 18以及调控其自组装行为19, 20。
在我们实验室之前的研究中，有人将一种依赖钙离子的肽段插入酒精脱氢酶D的某个环区，目的是引入一种依赖钙离子的开关机制，以此调节该酶的辅因子选择性[21]。为了验证这种钙离子依赖性肽段的插入是否有效，研究人员采用了F?rster共振能量转移实验来检测铽离子与该酶的结合情况[22]。出乎意料的是，实验结果显示野生型的无辅因子酒精脱氢酶也能与铽离子结合，而这一现象此前从未被报道过。猛烈热球菌在其自然生存环境中很可能接触到稀土元素，这就意味着酒精脱氢酶可能天然就存在稀土元素结合位点，而对于一种醛酮还原酶来说，这其实是一个比较特殊的特征，因为金属离子并非其催化反应所必需。同一项研究[21]还发现，在钙离子存在的情况下，酒精脱氢酶对NAD+和NADP+的亲和力存在差异，这一现象也可能表明稀土元素结合可能会通过影响辅因子的存在形式或改变辅因子在结合位点中的定位，从而影响酒精脱氢酶的催化效率。
稀土元素共有17种，其中包括镧系元素以及钪和钇[23]，它们在众多现代技术中都发挥着重要作用。由于稀土元素被广泛应用于现代电子产品、电动汽车、可再生能源系统、航空航天以及国防领域，因此它们被视为关键矿物24, 25, 26。从天然矿床中开采稀土元素，并将其从电子废弃物等二次来源中分离出来，是一项极具挑战性的任务，因为这些稀土元素往往共存在一起，而且彼此在物理和化学性质上也非常相似27, 28。传统的稀土元素分离方法主要依靠溶剂萃取或离子交换技术，而这些方法需要使用大量的有害化学物质，比如有机溶剂和强酸，而且操作繁琐，会给环境带来严重污染29, 30, 31, 32, 33。如果能够发现新的蛋白质与稀土元素的相互作用机制，或许能为这些关键材料的开采、提纯和回收提供新的途径。
在这两组相关论文中的第一篇中，我们基于之前的研究结果，发现了无辅因子酒精脱氢酶中一个此前未被发现的稀土元素结合位点，并对其进行了详细分析。利用该蛋白极高的稳定性和耐用性，我们开发出一种新的稀土元素分离技术，可用于一次性分离不同的重稀土元素。在另一篇论文（Gokulu等人，已投稿）中，我们将揭示酒精脱氢酶催化反应中一种此前未被认识到的稀土元素依赖性效应，这种效应很可能也存在于醛酮还原酶超家族的其他成员中。
