稀土博弈新战场，中美都盯上了合成生物

10月9日，中国商务部公布最新对稀土相关技术实施出口管制的决定。

稀土，是一组17种化学元素的总称，是高端制造业的关键原料，从iPhone到F-35战斗机，它们的制造都离不开稀土。

稀土之所以“稀有”，是因为它们分散在地壳中，而且化学性质相似，如何分离提纯成为难题。

目前，中国掌控着全球超过90%的稀土精炼供应，美国曾在上世纪80年代占据全球稀土产量的50%，而如今绝大部分依赖从中国进口。

为强化本土供应链，美国正大力开发高效、可持续的稀土加工技术，合成生物学成为关键创新方向之一。

今年，新兴生物技术国家安全委员会向美国国会提交的《描绘生物技术的未来：美国安全与繁荣的行动计划》中指出：

生物技术利用定制蛋白质，使我们能够以前所未有的精度和效率分离出高纯度稀土元素和其他关键矿物。

此类生物技术解决方案将降低成本，增加关键矿物的国内产量，并减少我们对外国的依赖。

近期，多所美国研究机构发表相关成果，通过基因工程等技术改造生物体，实现对稀土元素的加工。

对于中国而言，开发基于合成生物学的高效、绿色的前沿稀土加工技术，对于我国在国际稀土竞争格局中继续保持领先地位具有重大意义。

生物法加工稀土，可行吗？

生物法为传统采矿技术提供了有前景且更环保的替代方案。

基于生物的工艺已在商业规模上用于提取多种金属，包括铜、镍、钴和锌。

例如，利用微生物溶解矿物或废料，估计约占铜矿开采的15%。此外，约有5%的金矿开采会先利用微生物氧化法对难处理硫化金矿石进行处理。

十多年前，人们发现了利用镧系元素进行代谢的微生物，科学家开始探索利用微生物或其成分分离稀土元素的可行性。

许多微生物会分泌酸，能够溶解岩石、废弃电器和其他电子垃圾中的金属。有些微生物会制造专门与稀土元素相互作用的蛋白质，可以借助这一机制将稀土元素与其他金属分离。

美国国防高级研究计划局 (DARPA) 已投资超过4300万美元，用于开发稀土元素的生物采矿技术。

尽管在稀土领域，生物技术尚未实现规模化商业化应用，但合成生物学的发展，有望让生物法成为未来稀土元素提取和加工的重要技术。

相关成果正在产业化

5月，Nature子刊Communications Biology发表一项来自美国康奈尔大学的成果，研究人员通过对氧化葡萄糖杆菌进行基因编辑，使得稀土元素的生物浸出率提高了73%。

这种微生物能够加速岩石的风化，释放出钙和镁来永久地吸收大气中的二氧化碳，并提取出稀土元素。

整个过程可以在常温常压下进行，而且不需要使用刺激性化学物质。

这是一举两得的方案：既阻止了气候变暖，又能够有效解决稀土提取问题。

这项工作获得了美国国家科学基金会、美国能源部能源高级研究计划局、美国陆军高级民用教育项目以及康奈尔大学的资助。

基于相关成果，研究团队创立了REEgen，这是一家通过应用尖端生物技术解决稀土等关键矿物采集的公司，由康奈尔大学运营。

类似的，加州大学伯克利分校的研究人员创立了RareTerra，该公司正在开发一步式生物工艺，利用微生物进行稀土的提取、分离和纯化，无需依赖强酸或高温高压。

此外，来自宾夕法尼亚大学、西北大学、芝加哥大学等多所美国高校的联合团队，对自然界存在的蛋白质片段进行改造，设计用于捕获稀土的工程肽。

去年的一篇论文显示，宾大的科学家们设计出蛋白质LanD，它可以有效区分钕和镨等稀土元素，分离效率明显提高。

中国在行动

2023年，清华大学化学系张洪杰院士、刘凯教授、马超研究员团队等在Advanced Materials上发表研究论文，构建了一种新型生物合成系统，实现了高纯度稀土产品的主动生物制造。

图：微生物合成系统原位制备稀土磷酸盐、高选择性稀土亲和蛋白和稀土蛋白酶的示意图

团队实现在细胞表面以“一锅法”原位合成稀土磷酸盐，未来可通过多种方法回收。

同时，团队借助合成生物学手段设计了一种新型嵌合蛋白DLanM，发了具有高亲和力的稀土生物分离柱，实现了绝对纯度3N以上高纯单一稀土分离制备。

此外，该团队还以甲基杆菌为底盘细胞实现了对尾矿稀土的高效利用，制备了稀土甲醇脱氢酶并实现了高效应用。

这项成果建立了稀土矿生物分离工程技术及高值利用新范式，在稀土矿绿色可持续分离和高附加值稀土产品领域实现了突破性进展。

今年5月，中国稀土学会和中国稀土行业协会联合组织专家对张洪杰院士、刘凯教授团队牵头的稀土磁材工业废料绿色生物回收与资源高值循环利用技术进行了科技成果评价。

专家委员会认为，该技术颠覆了传统化学法高温、强酸、强碱回收工艺路线，挖掘我国特有稀土微生物资源库，建立了从专利菌种库到成套工艺的完整自主知识产权体系，构建了常温常压稀土磁材工业废料生物回收技术体系，完成了吨级应用示范。

该技术显著降低了三废产生量和综合处理成本，各项指标均优于欧美等国水平，具备大规模产业化推广应用条件。