氧化葡萄糖酸杆菌B58全基因组筛选揭示稀土元素生物浸出的非酸解机制

为解决稀土元素(REEs)传统湿法冶金的环境风险问题，研究人员通过构建氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans B58)高质量非冗余全基因组敲除库，直接筛选出89个与钕(Nd)生物浸出相关的基因，其中68个为新发现靶点。研究发现8个突变株浸出效率提升最高达111%，并证实非酸解机制的关键作用，为绿色稀土开采提供新策略。

　　

稀土元素(REEs)是清洁能源技术的核心材料，但传统湿法冶金存在严重环境隐患。生物浸出技术虽前景广阔，却因微生物遗传机制不明和工具缺乏而进展缓慢。氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)因其产酸特性被视为理想候选菌，但此前研究仅关注酸解作用，忽略了复杂解(complexolysis)和氧化还原解(redoxolysis)的潜在贡献。

康奈尔大学团队在《Communications Biology》发表研究，通过构建史上最精简的G. oxydans B58全基因组敲除库(QC collection)，将突变株数量减少85%，并首次直接筛选稀土浸出相关基因。研究人员开发了基于砷偶氮III(As-III)的微孔板比色法，结合合成独居石(monazite)底物Mon1/Mon2，系统评估了2733个基因突变株的浸出效率。

关键技术包括：(1) Knockout Sudoku算法构建非冗余敲除库；(2) 微流控机器人实现高通量筛选；(3) ICP-MS验证浸出效率；(4) 启动子工程进行基因过表达验证；(5) RT-qPCR分析基因表达。

G. oxydans' quality-controlled collection is 85% smaller than previous collection
研究团队通过优化转座子插入位点选择标准，构建了仅含2733个突变株的QC库，每个非必需基因保留1个代表性突变体。该库较前代集合减少85%冗余，为高通量筛选奠定基础。

Genome-scale screen identifies 68 novel bioleaching genes
初筛发现89个显著影响钕浸出的基因，其中68个为全新靶点。第二类独居石Mon2验证出6个关键突变，包括使浸出率提升111%的吡啶酸磷酸核糖转移酶基因pyrE(8GO_1598)和降低97%的GTP结合蛋白typA(8GO_1096)。

Metal binding and DNA repair pathways are enriched
基因本体(GO)分析显示金属离子结合和核苷酸切除修复通路显著富集。推测DNA修复基因Fpg(GO_1968)的缺失可能通过改变代谢流增加浸出效率，而谷胱甘肽转运体CydC(GO_1991)缺失则影响氧化应激响应。

Non-acid mechanisms dominate
12个验证突变株中9个未显著改变生物浸出液pH，证实非酸解机制的重要性。转录调控因子PhoB(GO_1162)和LysR(GO_1109)等基因的突变通过调控网络间接增强浸出效率。

Overexpression validates GO_1096 function
typA(GO_1096)过表达使浸出效率提升64%，但完全敲除未产生预期效果，提示该基因可能通过精细调控网络发挥作用。

这项研究突破了传统酸解机制的认知框架，揭示了氧化应激响应、金属稳态和转录调控在生物浸出中的核心作用。虽然单个基因改造效果(最高提升111%)不及已报道的pstS缺失联合mgdh过表达株(提升1186%)，但新发现的68个基因为多靶点协同改造提供了可能。研究建立的QC库和直接筛选策略，为微生物冶金研究提供了范式转变——从表型筛选转向机制驱动设计。未来通过整合代谢工程和合成生物学手段，有望实现稀土生物浸出的工业化应用突破。