[Flash Info Chimie] #23 Extraire l’uranium depuis l’eau de mer

L’extraction de l’uranium actuelle est une industrie minière polluante, potentiellement dangereuse pour la santé des populations qui vivent autour. Elle est très coûteuse en énergie, ce qui rend l’énergie nucléaire gourmande en combustible fossile. Elle est aussi la source de fortes tensions géopolitiques, voire de guerres, et ceci spécialement dans les pays d’Afrique centrale. L’uranium, c’est bien sûr le combustible de base utilisé dans toute l’industrie nucléaire.

Pour que l’industrie nucléaire soit plus propre (on ne parle pas ici des dangers de l’exploitation des centrales nucléaires, de leur démantèlement, des rejets accidentels, voire des accidents majeurs qui peuvent survenir, ni de l’utilisation de cette énergie a des fins destructives. La question de la « propreté » de l’industrie nucléaire est, au minimum, un très vaste débat), il faut déjà rendre « propre » l’extraction de l’uranium.

Une des solutions envisagées réside en l’extraction de l’uranium présent dans les mers. Il y en aurait environ 1000 fois plus que dans la terre ferme ! A la concentration d’environ 3,2 µg d’uranium par litre d’eau de mer, sous forme d’ion uranyle UO₂²⁺ il n’est pas absurde d’imaginer le récupérer et l’exploiter industriellement.

Encore faut-il arriver à le récupérer. Le problème de l’eau de mer, c’est qu’elle est très riche en divers ions métalliques. Des ions sodium, magnésium, fer,… sont présents en grande quantité. Donc pour extraire les ions uranyles, il faut pouvoir les piéger de façon très sélective, pour pouvoir les séparer du reste du mélange complexe constitué par l’eau et toutes les autres espèces chimiques en présence.

L’idée, c’est d’aller à la pêche aux ions uranyles. La canne à pêche, le fil, ça, on sait faire. Le plus dur est de trouver un hameçon qui va être efficace et sélectif : on veut qu’il se fixe bien aux ions UO₂²⁺, mais pas du tout aux autres. Jusqu’à présent, les hameçons (on les appelle des « ligands » dans le jargon organométallique) qui avaient été proposés ne remplissaient pas ces deux objectifs de façon satisfaisante… Mais une équipe sino-américaine décident de s’intéresser au rôle que pourrait jouer des protéines pour piéger ces précieux ions.

Dans cet article, publié dans la revue Nature Chemistry, les chercheurs expliquent leur stratégie : plutôt que de mettre au point un ligand ex nihilo, en tenant certes compte de ceux qui existent déjà (et qui ne sont pas très efficaces), pourquoi ne pas partir de la formidable banque de donnée constituée par les milliers de protéines qui ont été étudiées et « cartographiées » par les biochimistes ?

Ils ont donc mis au point un algorithme pour sélectionner celles dont la structure est susceptible d’avoir une grande affinité pour les ions uranyles. Après plusieurs étapes de sélection, une protéine candidate a été testée, et a montré une affinité très intéressante. Les scientifiques ne se sont pas arrêtés là, et ont réussi, en effectuant quelques mutations dans la structure de la protéine, à améliorer encore les résultats.

La protéine finale obtenue, appelée SUP (Super Uranyl-Binding Protein) est stable à température ambiante, a une sélectivité 10000 fois supérieure pour l’ion uranyle que pour les autres ions métalliques présent dans l’océan, et ne perd pas son activité une fois fixée sur un support solide. Elle peut être aussi exprimée à la surface de bactéries de type E. Coli génétiquement modifiée, tout en restant efficace. 

La protéine SUP (en vert) avec au centre, l’ion uranyle (atome d’uranium en bleu, oxygènes en rouge)

Zoom sur les interactions entre l’ion uranyle et les acides aminés qui composent la protéine SUP : précisément, la configuration de coordination de l’ion est une bi-pyramide à base pentagonale…

Pour récupérer cet ion uranyle dans la mer, le mode opératoire est relativement simple :

La « pêche » sélective aux ions uranyles…

• On introduit les SUP sur un support solide (des billes de résines par exemple) dans l’eau (On lance la ligne)
• On mélange (on attend que le poisson morde)
• On filtre pour récupérer les protéines sur leur support (on retire la ligne de l’eau)
• On récupère les ions uranyle des SUP en les rinçant avec un liquide adaptée (on décroche les poissons des hameçons)
• Et on retourne à la pêche !!

En procédant de cette façon, on peut extraire jusqu’à 60 % des ions uranyles présents dans l’eau.

Deux choses sont particulièrement à retenir dans cette étude :

• Le travail de recherche dans les banques de données des protéines et de simulation a été particulièrement efficace pour trouver la SUP. On peut facilement penser qu’il pourra être transposé à l’extraction d’autres ions métalliques de l’eau de mer.
• Ce procédé peut être utilisé pour extraire l’uranium de la mer, mais aussi dépolluer en uranium des cours d’eau, nappes phréatiques… contaminées lors de l’extraction minière…

N.B. Pour les profs de chimie : on pourrait imaginer un formidable exercice de solution aqueuse, puisque les Kd de l’ion uranyle avec les ions carbonates (principaux « concurrents » de la SUP dans l’eau de mer, et avec les protéines testées sont donnés… N’hésitez pas à me les demander en commentaire !

« A Protein engineered to bind uranyl selectively and with femtomolar affinity » L. Zhou et al., Nature Chemistry 2014, Advance Online Publication