来自青海根瘤菌 J19 的一种类兰调素蛋白，参与钇的固定

这为何与日常科技相关

稀土元素隐藏在我们依赖的许多设备和绿色技术中，从手机和风力涡轮机到电动汽车和医疗扫描仪。采矿和精炼这些金属既昂贵又污染，因此科学家正在寻找更温和的方法，从废物流和受污染的水体中提取它们。本研究探讨了一种来源于土壤细菌的蛋白如何锁定其中一种金属——钇，并帮助以更清洁的方式捕获和回收它。

驱动现代生活的金属

稀土元素构成了一个在水中表现相似的金属家族，这使得它们彼此之间以及与其他离子分离变得困难。钇及其同族元素对强力磁铁、电池、屏幕和激光器至关重要。近年来，研究人员发现一些细菌实际上需要稀土来驱动关键酶，帮助它们利用简单碳化合物作为食物。这意味着自然界已包含能以惊人精确度识别这些金属的分子，为新型回收工具提供了线索。

具有特殊握持力的细菌蛋白

研究团队关注一种名为 Mesorhizobium qingshengii J19 的细菌，此前研究显示其能耐受并固定高含量的钇。通过扫描其基因组，他们发现了一个编码小型金属结合蛋白的基因，该蛋白与另一细菌中的著名稀土捕手兰调素同源。这种新蛋白由通常结合钙的所谓 EF-hand 基序构成，但在序列的关键位置有所不同，将常见的氨基酸残基（脯氨酸）替换为另一种（苏氨酸）。研究者推测这一改变可能会改变其偏好的金属种类以及结合强度。

将常见实验室细菌变成金属海绵

为了测试该蛋白，科学家将其基因插入实验室常用的细菌 Escherichia coli，并诱导细胞在内外膜之间的周质空间大量表达该蛋白。与普通 E. coli 相比，工程化细胞在存在两种金属时积累了更多的钇和钕，但并未额外积累钪。这一模式暗示该蛋白对一定尺寸的金属离子有最佳适配，偏好钇和钕而非更小或略大的同类离子。

测量蛋白对金属的偏好

在纯化蛋白后，团队进行了系列结合测定，将已知量的钇与蛋白混合，然后将蛋白结合的金属与自由金属分离。他们发现，在中等浓度下，该蛋白能结合大量钇，尤其在弱碱性 pH 和室温条件下效果最佳。在最佳条件下，其对钇的表观容量远高于此前报道的兰调素结合另一种稀土（镧）的数值，尽管作者强调测定方法和金属不同。额外测试显示该蛋白也能结合钕，但当同时提供钇和钕时，钇占优，表明对钇有一定偏好。

从实验室测定到更清洁的回收方法

因为 M. qingshengii J19 细胞能在表面捕获钇并形成富钇的矿物颗粒，且其 EF-hand 蛋白在溶液中对钇的结合能力很强，作者看到了几种可能的用途。携带该蛋白的工程化 E. coli 细胞可以放置在选择性膜后，作为活体过滤器，从稀释的混合金属流（如采矿废水或电子废物浸出液）中捕获稀土。或者，纯化的蛋白可以固定到固体支撑物或膜上，在受控的金属捕获与释放循环中重复使用，通过温和改变酸碱度或盐度来洗脱金属以便回收。

简单说，这意味着什么

本质上，研究表明从土壤微生物借来的一个蛋白可以像微小的爪子一样，偏好抓住钇并在较小程度上抓住钕。通过了解该“爪子”何时最有效以及它的选择性如何，研究者更接近设计能够清洁并回收水体废料中有价值稀土金属的生物基过滤器。这类方法未来可能补充或部分替代严苛的化学工艺，帮助为现代科技获取关键材料的同时降低环境代价。

引用: Coimbra, C., Morais, P.V. & Branco, R. A lanmodulin homologous protein, from Mesorhizobium qingshengii J19, involved in yttrium immobilization. Sci Rep 16, 15015 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45294-7

关键词: 稀土元素, 钇, 类兰调素, 生物修复, 金属结合蛋白