噬菌体展示筛选高特异性镍钴结合肽及其在金属生物回收中的应用

本研究针对电子废弃物中镍(Ni)和钴(Co)的高效分离难题，通过噬菌体展示技术从线性七肽库中筛选出具有高亲和力和特异性的金属结合肽。研究人员成功鉴定出FWPLHHH（Ni_01）和GPHKHHA（Ni_02）两种镍结合肽，以及HNYHHRH（Co_01）和HMNHHHH（Co_02）两种钴结合肽。等温滴定 calorimetry（ITC）实验证实这些肽对目标金属的结合亲和力达到微摩尔级别（KD为5.4-72.9 μM），且镍结合肽对镍的选择性比钴高12-14倍。该研究为开发绿色金属回收技术提供了新型生物材料，对锂离子电池等电子废弃物的资源化利用具有重要意义。

　　

随着社会电气化进程加速和可再生能源转型，对镍、钴等关键原材料的需求急剧增长。电子废弃物作为全球增长最快的城市垃圾类别，预计到2030年将达到7470万吨，其中富含铜、铁、镍、钴、金、银等有价金属。然而，目前只有少量电子废弃物被回收利用，主要依赖火法冶金和湿法冶金工艺。这些传统方法存在高能耗、高成本、环境污染以及过渡金属离子分离效率低等问题。特别是镍和钴由于在元素周期表中位置相邻、化学性质相似，其分离一直是行业技术难题。

在这项发表于《Waste Management》的研究中，Anna Sieber等研究人员开发了一种基于噬菌体展示技术的生物筛选方法，用于识别高特异性的镍和钴结合肽，为绿色金属回收提供新方案。研究团队采用创新性的实验设计，主要包括：1）使用镍和钴离子固定的NTA琼脂糖珠作为靶标材料进行亲和筛选；2）通过三轮严格程度递增的生物淘选（Biopanning）过程；3）对筛选出的噬菌体克隆进行单克隆结合测试；4）采用等温滴定 calorimetry（ITC）技术对化学合成的游离肽进行结合亲和力和特异性定量分析。

研究结果部分显示：

在"3.1. Identification of Ni- and Co-binding peptides"中，研究人员通过三轮生物淘选成功富集了特异性结合噬菌体克隆。测序分析发现，组氨酸(Histidine)是镍和钴结合肽中最常见的氨基酸，在镍结合序列中出现频率超过70%，在钴结合序列中超过40%。从60个镍筛选克隆中鉴定出20种不同序列，其中Ni_01 (FWPLHHH)和Ni_02 (GPHKHHA)出现频率最高（12和14次）；从20个钴筛选克隆中发现Co_01 (HNYHHRH)出现17次，显示高度富集。

在"3.2. Single-clone characterization"中，单克隆结合实验表明，与野生型噬菌体相比，Ni_01和Ni_02对Ni-NTA珠的结合分别提高92.3倍和13.5倍；Co_01和Co_02对Co-NTA珠的结合分别提高1847.1倍和19595.1倍。这些结果证实了展示肽显著增强了噬菌体对目标金属的结合能力。

在"3.3. Binding behavior of free peptides in solution"中，ITC实验结果揭示了游离肽的结合特性：Ni_01对Ni²⁺的K_D为72.9 μM，对Co²⁺为865 μM；Ni_02对Ni²⁺的K_D为29.0 μM，对Co²⁺为401 μM，表明两种镍结合肽对镍的选择性比钴高12-14倍。钴结合肽中，Co_02对Co²⁺的K_D为6.4 μM，对Ni²⁺为13.7 μM，显示对钴的偏好性；而Co_01对Ni²⁺的亲和力(K_D=5.4 μM)反而高于对Co²⁺(K_D=16.3 μM)。所有结合反应均为放热过程，负的吉布斯自由能(ΔG)表明结合是自发进行的。

研究结论与讨论部分强调，这项工作成功证明了噬菌体展示技术在识别金属特异性结合肽方面的有效性。新发现的肽不仅表现出与商业六组氨酸肽相当的结合亲和力，还展现了更好的金属选择性。特别是镍结合肽对镍的选择性比钴高一个数量级，这为解决镍钴分离难题提供了可能。研究人员指出，组氨酸的imidazole侧链在pH 7.5条件下去质子化，是金属结合的主要位点，这解释了为什么在酸性浸出液(pH<2)条件下结合能力会显著下降，为后续应用研究指明了方向。

该研究的重要意义在于开发了一种环境友好的金属回收替代技术，肽类材料可以在环境温度下工作，能耗低、化学投入少，且吸附动力学快。这些特性使肽基材料非常适合集成到现有回收工艺中，如浮选或膜分离过程。未来研究将专注于将这些肽固定到合适的基质上，并测试其在真实废液中的金属回收选择性和效率，特别是在锂离子电池回收中的应用前景。