刘凯研究员/张洪杰院士团队《AM》: 微生物合成系统，实现高纯稀土产品的主动生物制造！

稀土材料在生物医学和高科技领域发挥着不可替代的作用。然而，典型的稀土元素开采和提取方法往往因涉及危险化学品而导致严重的环境问题和资源浪费。尽管生物采矿展示了优雅的替代方案，但由于提取金属的微生物和清除稀土的大分子工具不足，可持续地分离和回收自然界中的稀土仍然面临巨大挑战。为了直接从稀土矿石中获得高性能的稀土材料，需要开发新一代生物合成策略来高效地制备稀土元素(REEs)。在此, 清华大学刘凯研究员、张洪杰院士团队建立了一种微生物合成体系实现了高纯稀土产品的主动生物合成。此外，通过与结构工程蛋白生物偶联的亲和柱，获得了良好的Eu/Lu和Dy/La分离，纯度分别为99.9%(Eu)、97.1%(La)和92.7%(Dy)。更重要的是，原位一锅法合成的稀土依赖的甲醇脱氢酶得到了很好的治理，并独占地吸附了稀土尾矿中的La、Ce、Pr和Nd，具有先进的生物催化作用，具有高附加值的应用前景。因此，开发的新型生物合成平台提供了一个有洞察力的路线图，以扩大生物铸造方面的底盘工程范围，并生产与稀土相关的有价值的生物制品。该研究以题为“The Construction of Microbial Synthesis System for Rare Earth Enrichment and Material Applications”的论文发表在《Advanced Materials》上。

在这里，成功地筛选和收集了126株新型稀土吸附菌株，作为轻、中、重稀土的微生物合成系统，实现了高纯度稀土生物产品的制备。新型稀土亲和生物材料通过结构蛋白DLanM的生物偶联，实现了Eu/Lu和Dy/La的良好分离，分别得到99.9%的Eu、97.1%的La和92.7%的Dy。最重要的是，生物工程MDHs可以作为La、Ce、Pr和Nd的选择性吸附剂，显示出在稀土产品中的先进应用。因此，这些生物合成策略为稀土研究建立了一个新的范式，并将促进稀土的高价值应用。

图1. 稀土微生物分离筛选及稀土生物材料高值化利用

【有效吸附和生物合成稀土的菌株筛选】

为了获得能特异吸附稀土进行生物合成的微生物，从所有采集的样品中通过富集培养和鉴定方法分离出126株细菌(命名为清华稀土微生物，TR-1至TR-126)。将获得的菌株的16S rRNA序列与GenBank上的已知序列进行比较分析。结果表明，稀土尾矿场及原矿伴生区中假单胞菌为优势种。假单胞菌属，如铜绿假单胞菌、恶臭假单胞菌、荧光假单胞菌和斯图策尔假单胞菌都能在其微环境中合成无机纳米颗粒。因此，选择收集的菌株(即TR-21、TR-22、TR-27和TR-54)来测试它们对稀土的吸附能力。电感耦合等离子体发射光谱分析结果表明，TR-21对14种稀土元素的吸附能力最强。TR-21对Sm(Ⅲ)、Eu(Ⅲ)和Tb(Ⅲ)具有较高的吸附容量，但对La(Ⅲ)的吸附能力最弱。

用Tb(III)、Dy(III)和Ho(III)在细胞外矿化的稀土盐都是细小的线性形状，长度约为100 nm，并在细胞外使用Er(III)、Tm(III)、Yb(III)和Lu(III)形成层状或水凝胶状的生物合成。在HRTEM下没有观察到该生物合成的明显晶格结构。用高分辨电子能谱对所有从TR-21矿化的纳米线、细丝和片状/水凝胶稀土矿物进行了元素分析，结果表明，矿化产物区含有稀土元素(Ⅲ)、磷、氧和碳。这进一步表明，稀土(III)与PO43−结合后，以矿物相的形式与细菌表面的PO43−共存，即合成的稀土盐为REEPO4。此外，该菌株不仅可以通过表面吸附回收稀土元素，还可以在细胞表面以一锅法原位合成稀土磷酸盐。与这些配合物的化学合成方法相比，微生物原位合成稀土磷酸盐不仅可以减少对环境的污染，而且具有较高的成本效益。稀土磷酸盐具有良好的化学稳定性和热稳定性，被广泛应用于发光材料的制备。

当稀土离子浓度较低时，稀土元素主要与细菌细胞壁上的磷酸基团结合。随着时间的推移，生物矿化晶体的数量增加，使稀土以纳米线或片状晶体的形式沉积在细胞表面。当TR-21不与稀土元素相互作用时，细菌细胞呈椭圆形，表面光滑。TR-21对稀土的生物合成发生在细菌细胞的外部。微生物合成稀土磷酸盐后，可通过三种方法回收稀土盐。首先，稀土氧化物可以通过燃烧回收。其次，微生物细胞可以通过细胞超声裂解，稀土磷酸盐可以通过离心法回收。第三，稀土磷酸盐可以通过加入海藻糖降解胞外多糖来回收，从而使稀土磷酸盐解离，然后通过离心法回收。

图2.有效吸附和生物合成稀土的菌株筛选

【熔融DLanM器件的吸附容量和选择性测试】

受LanM的启发，设计了一种新型的含有两个拷贝的LanM的新型嵌合蛋白DLanM。由于DLanM有8个EF-Hand，它不仅可以结合更多的稀土元素，而且对稀土具有高选择性，超快的吸附速度，稳定的吸附能力，对非稀土阳离子没有吸附能力。这使得DLanM成为一种很有前途的回收和分离稀土的生物分子。上述优点使其成为高稀土亲和力功能材料的理想候选者。为了促进转化为具有流动形式的稀土回收能力的产品，我们使用氨基的点击化学将DLanM偶联到修饰的琼脂糖凝胶微球上。在25℃下反应16 h后，DLanM的负载率约为83.3%，蛋白密度为0.678±0.004 μmol DLanM/mL琼脂糖凝胶。DLanM偶联材料具有显著的稀土亲和力。特别是，生物共轭色谱柱可以重复使用几十次，对稀土元素的回收表现出很好的性能。

用混合溶液测试了DLanM基柱对稀土元素和其他金属元素的选择性。Eu和Dy可以通过DLanM柱和两步解吸的单一吸附过程从Lu和La中分离出来，从而证明了稀土之间分离的可能性。总之，固定化DLanM材料从广泛的金属离子杂质中选择性地富集稀土的功效，甚至到在稀土中分离特定的离子对。这种改进的选择性代表了现有生物吸附方法的替代使用胶囊细胞或聚合物纳米凝胶。

图3.熔融DLanM器件的吸附容量和选择性测试

【生物合成工具对稀土尾矿的高效利用】

TR-21对稀土具有吸附和生物合成作用，对稀土尾矿中的稀土具有浸出和溶解作用。稀土尾矿中金属元素的形态和含量分析表明，稀土含量较低，使其难以恢复和分离。用离子交换法从低浓度尾矿中提取稀土成本高，而用氯化钠、硫酸铵、氯化铵、硫酸镁作浸出剂，对环境有害。相比之下，TR-21的生物浸出过程相对简单，不会产生二次污染。该方法具有环境友好、经济高效等优点，可作为尾矿中稀土有效浸出回收的一种新方法。

甲醇脱氢酶(MDH)是AM1菌株甲醇代谢的关键和必需的酶。最近的研究表明，AM1菌株具有以稀土为辅因子的XoxF型MDH。XoxF型MDH的催化机理除依赖于其辅因子外，还与稀土元素的结合有关。AM1菌株不仅能从稀土尾矿中浸出稀土离子，还能从稀土尾矿中提取稀土离子，也可利用尾矿中的部分稀土进行生物合成，XoxF型MDH可以作为稀土的选择性吸附剂来提纯和分离稀土。

图4.生物合成工具对稀土尾矿的高效利用

【小结】

该研究提出了一种新型的生物合成材料体系，以实现稀土元素的高效制造和先进利用。从稀土尾矿中筛选出的昆明菌株可以通过原位合成的方法从细胞外收集稀土生物产品。将新设计的DLanM蛋白与琼脂糖凝胶进行固定化，制备了一系列高亲和力的稀土生物吸附柱。Eu/Lu和La/Dy对的分离效率分别达到99.9%(Eu)、97.1%(La)和92.7%(Dy)。此外，生物吸附柱可重复使用长达19个周期，显示出良好的稀土回收性能。最重要的是，M.extorquens中的工程MDH不仅可以作为La、Ce、Pr和Nd的选择性吸附剂用于稀土的提纯和分离，还可以作为功能稀土-配体组合用于先进的生物合成。与化学提纯方法相比，这些生物合成策略实现了稀土的一锅法高价值利用。该生物制造系统作为新一代灵活的生物铸造，在稀土微生物底盘工程中显示出巨大的前景，特别是当与先进的编辑工具集成时，如CRISPR或同源定向修复，用于先进的生物修复和有价值的稀土生物制品制造。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303457

来源：课题组推荐

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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