长春应化所青促会

发展近日，清华大学刘凯教授和中国科学院长春应用化学研究所王帆研究员（青促会第10批会员）等人在《Science China Materials》发表研究论文，综述了稀土微生物的合理设计、高附加值稀土生物材料的合成及其应用。最后，简要讨论了该领域的未来研究和发展前景。

发展稀土元素（REEs），包括镧系元素、钪和钇，共由17种元素组成，广泛用于农业、工业和军事领域。它们作为支持尖端国防技术发展和创新材料生产的重要资源，发挥着至关重要的作用。全球对稀土元素的需求迅速增加，预计到2050年将达到160万吨。然而，传统的稀土矿物提取过程能耗高且对环境有害。稀土矿物的开采，由于稀土在地壳中的分散分布，常常导致酸性废水和放射性废物的产生。此外，相似性质稀土元素的分离通常涉及级联萃取法，导致大量废酸和有机物的排放。近年来，基于肽或蛋白质的生物吸附技术已成为稀土回收的有前景替代方案。各种对稀土元素有亲和力的肽和蛋白质已被识别和设计。研究人员正专注于发现和表征高度特异的结合稀土元素的蛋白质和生物分子，统称为稀土基因组，旨在实现稀土元素的选择性提取。此外，生物浸出条件相对温和且环保。例如，铜的生物浸出非常成功，全球20%的铜是通过生物浸出获得的，有效解决了化学提取相关的污染和能耗问题。因此，开发适用于稀土分离的工程化微生物，利用蛋白质工程技术创建对稀土元素具有高效亲和力和选择性的肽和蛋白质，在化学生物学领域具有重要研究价值。

发展在模块化策略的指导下，合成生物学构建了具有特定功能的生命系统，为大规模绿色工业生产提供了解决方案。它在微生物工程和高附加值产品的创造中发挥着关键作用。合成生物学通过引入相关基因和基因突变，使微生物调控代谢产物，显著增强对稀土元素的亲和力和选择性。研究人员展示了一种新型稀土结合蛋白Lanmodulin，其在酵母细胞表面展示，表现出显著提高的各种稀土元素的吸附能力。最近，研究团队建立了一种微生物合成系统，能够制造高纯度稀土产品。这些方法优先考虑环境友好性和可持续性，减少对传统稀土矿石开采的依赖，同时减少环境污染，降低能耗。此外，合成生物学可以利用基因编辑和代谢工程生产与稀土相关的高附加值产品。通过利用合成生物学技术，可以控制微生物和生物分子与稀土的相互作用，从而精确操控材料特性。这些进展揭示了可持续利用稀土资源的创新途径，推动了高附加值产品的发展。

发展本文概述了稀土微生物的开发和高附加值稀土生物材料的创造。它深入探讨了筛选和改造用于浸出和富集的稀土微生物系统，以及稀土生物材料的设计和合成。这些生物材料在稀土分离、机械支撑、催化和诊断中有应用。此外，还讨论了制造稀土生物材料及其在高附加值材料中应用的未来研究方向和前景。

发展相关工作以“Microbial-driven fabrication of rare earth materials”为题，于近日发表在《Science China Materials》上。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目的支持。