Rare Earth Biological Manufacturing and High Value-added Material Application★
Received date: 2023-07-08
Online published: 2023-10-16
Supported by
National Natural Science Foundation of China(22020102003); National Natural Science Foundation of China(22277064); National Key Research & Development Program of China(2021YFB3502300); Tsinghua University Initiative Scientific Research Program.
Rare earth elements (REEs) are widely used in various frontier fields as critical raw materials for the development of modern industries and technologies. Due to the scattered distribution, the mining of rare earth elements is often accompanied by damage to the natural environment; similar chemical properties also make the separation of rare earth elements with high energy consumption and severe pollution. Through the construction of engineered rare earth microorganisms, biomining technology can be employed to address the challenges encountered in traditional processes. Moreover, establishing an engineered rare earth microbial synthesis platform enables the in situ synthesis of high value-added rare earth biomaterials, thereby facilitating clinical translational research and application in the field of rare earth biomaterials. The rational design of rare earth microorganisms, the synthesis of high value-added rare earth biomaterials, and their applications are discussed in this review. An outlook for future research and development in this field is presented.
Key words： rare earth element (REE); REE separation; REE protein; REE biomaterial
Yuewen Zhong , Xining Qian , Chao Ma , Kai Liu , Hongjie Zhang . Rare Earth Biological Manufacturing and High Value-added Material Application★[J]. Acta Chimica Sinica, 2023 , 81(11) : 1624 -1632 . DOI: 10.6023/A23070323
| [1] | Qian C.; Wang C.; Chen Y. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 883. (in Chinese) |
| [1] | 钱长涛, 王春红, 陈耀峰, 化学学报, 2014, 72, 883). |
| [2] | Jiang S.; Wang Y.; Xu X. Chin. J. Org. Chem. 2023, 43, 1786. (in Chinese) |
| [2] | ( 蒋胜杰, 王杨, 徐信, 有机化学, 2023, 43, 1786.) |
| [3] | Zhou Z.; Lu Z. R. Wiley Interdiscip. Rev. Nanomed. Nanobiotechnol. 2013, 5, 1. |
| [4] | Jia Y.; Wang W.; Liang L.; Yuan Q. Acta Chim. Sinica 2020, 78, 1177. (in Chinese) |
| [4] | ( 贾伊祎, 王文杰, 梁玲, 袁荃, 化学学报, 2020, 78, 1177.) |
| [5] | Ma C.; Sun J.; Li B.; Feng Y.; Sun Y.; Xiang L.; Wu B.; Xiao L.; Liu B.; Petrovskii V. S.; Bin L.; Zhang J.; Wang Z.; Li H.; Zhang L.; Li J.; Wang F.; G?stl R.; Potemkin II; Chen D.; Zeng H.; Zhang H.; Liu K.; Herrmann A. Nat. Commun. 2021, 12, 3613. |
| [6] | Thiele N. A.; Woods J. J.; Wilson J. J. Inorg. Chem. 2019, 58, 10483. |
| [7] | Liu Q.; Shi H.; An Y.; Ma J.; Zhao W.; Qu Y.; Chen H.; Liu L.; Wu F. J. Hazard Mater. 2023, 445, 130451. |
| [8] | Valdes J.; Pedroso I.; Quatrini R.; Dodson R. J.; Tettelin H.; Blake R., 2nd; Eisen J. A.; Holmes D. S. BMC Genomics 2008, 9, 597. |
| [9] | Luft J. H. J. Biophys. Biochem. Cytol. 1961, 9, 409. |
| [10] | Anthony J. R.; Anthony L. C.; Nowroozi F.; Kwon G.; Newman J. D.; Keasling J. D. Metab. Eng. 2009, 11, 13. |
| [11] | Martin V. J.; Pitera D. J.; Withers S. T.; Newman J. D.; Keasling J. D. Nat. Biotechnol. 2003, 21, 796. |
| [12] | Ajikumar P. K.; Xiao W. H.; Tyo K. E.; Wang Y.; Simeon F.; Leonard E.; Mucha O.; Phon T. H.; Pfeifer B.; Stephanopoulos G. Science 2010, 330, 70. |
| [13] | Shen C. R.; Lan E. I.; Dekishima Y.; Baez A.; Cho K. M.; Liao J. C. Appl. Environ. Microbiol. 2011, 77, 2905. |
| [14] | Steen E. J.; Kang Y.; Bokinsky G.; Hu Z.; Schirmer A.; McClure A.; Del Cardayre S. B.; Keasling J. D. Nature 2010, 463, 559. |
| [15] | Schirmer A.; Rude M. A.; Li X.; Popova E.; del Cardayre S. B. Science 2010, 329, 559. |
| [16] | Zhang X.; Jiang J. In Rare Earth Coordination Chemistry, Wiley, Hoboken, 2010, p. 137. |
| [17] | Anthony C.; Williams P. Biochim. Biophys. Acta 2003, 1647, 18. |
| [18] | Chistoserdova L.; Lidstrom M. E. Microbiology (Reading) 1997, 143 ( Pt 5), 1729. |
| [19] | Delmotte N.; Knief C.; Chaffron S.; Innerebner G.; Roschitzki B.; Schlapbach R.; von Mering C.; Vorholt J. A. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 16428. |
| [20] | Schmidt S.; Christen P.; Kiefer P.; Vorholt J. A. Microbiology (Reading) 2010, 156, 2575. |
| [21] | Hibi Y.; Asai K.; Arafuka H.; Hamajima M.; Iwama T.; Kawai K. J. Biosci. Bioeng. 2011, 111, 547. |
| [22] | Skovran E.; Palmer A. D.; Rountree A. M.; Good N. M.; Lidstrom M. E. J. Bacteriol. 2011, 193, 6032. |
| [23] | Wegner C. E.; Gorniak L.; Riedel S.; Westermann M.; Kusel K. Appl. Environ. Microbiol. 2019, 86, e01830. |
| [24] | Pol A.; Barends T. R.; Dietl A.; Khadem A. F.; Eygensteyn J.; Jetten M. S.; Op den Camp H. J. Environ. Microbiol. 2014, 16, 255. |
| [25] | Cotruvo J. A., Jr.; Featherston E. R.; Mattocks J. A.; Ho J. V.; Laremore T. N. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15056. |
| [26] | Roszczenko-Jasinska P.; Vu H. N.; Subuyuj G. A.; Crisostomo R. V.; Cai J.; Lien N. F.; Clippard E. J.; Ayala E. M.; Ngo R. T.; Yarza F.; Wingett J. P.; Raghuraman C.; Hoeber C. A.; Martinez-Gomez N. C.; Skovran E. Sci. Rep. 2020, 10, 12663. |
| [27] | Hemmann J. L.; Keller P.; Hemmerle L.; Vonderach T.; Ochsner A. M.; Bortfeld-Miller M.; Gunther D.; Vorholt J. A. J. Biol. Chem. 2023, 299, 102940. |
| [28] | Peyraud R.; Schneider K.; Kiefer P.; Massou S.; Vorholt J. A.; Portais J. C. BMC Syst. Biol. 2011, 5, 189. |
| [29] | Ochsner A. M.; Sonntag F.; Buchhaupt M.; Schrader J.; Vorholt J. A. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015, 99, 517. |
| [30] | Carrillo M.; Wagner M.; Petit F.; Dransfeld A.; Becker A.; Erb T. J. ACS Synth. Biol. 2019, 8, 2451. |
| [31] | Zhu W. L.; Cui J. Y.; Cui L. Y.; Liang W. F.; Yang S.; Zhang C.; Xing X. H. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2016, 100, 2171. |
| [32] | Sonntag F.; Muller J. E.; Kiefer P.; Vorholt J. A.; Schrader J.; Buchhaupt M. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2015, 99, 3407. |
| [33] | Schada von Borzyskowski L.; Sonntag F.; Poschel L.; Vorholt J. A.; Schrader J.; Erb T. J.; Buchhaupt M. ACS Synth. Biol. 2018, 7, 86. |
| [34] | Cui H.; Zhang X.; Chen J.; Qian X.; Zhong Y.; Ma C.; Zhang H.; Liu K. Adv. Mater. 2023, 35, 2303457. |
| [35] | Russell B. J.; Brown S. D.; Siguenza N.; Mai I.; Saran A. R.; Lingaraju A.; Maissy E. S.; Dantas Machado A. C.; Pinto A. F. M.; Sanchez C.; Rossitto L. A.; Miyamoto Y.; Richter R. A.; Ho S. B.; Eckmann L.; Hasty J.; Gonzalez D. J.; Saghatelian A.; Knight R.; Zarrinpar A. Cell 2022, 185, 3263. |
| [36] | Kumokita R.; Bamba T.; Inokuma K.; Yoshida T.; Ito Y.; Kondo A.; Hasunuma T. ACS Synth. Biol. 2022, 11, 2098. |
| [37] | Liu Y.; Ren Y.; Li J.; Wang F.; Wang F.; Ma C.; Chen D.; Jiang X.; Fan C.; Zhang H.; Liu K. Sci. Adv. 2022, 8, eabo7415. |
| [38] | Franz K. J.; Nitz M.; Imperiali B. Chembiochem 2003, 4, 265. |
| [39] | Park D. M.; Brewer A.; Reed D. W.; Lammers L. N.; Jiao Y. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 13471. |
| [40] | Xie X.; Tan X.; Yu Y.; Li Y.; Wang P.; Liang Y.; Yan Y. J. Hazard Mater. 2022, 424, 127642. |
| [41] | Deblonde G. J.; Mattocks J. A.; Dong Z.; Wooddy P. T.; Cotruvo J. A., Jr.; Zavarin M. Sci. Adv. 2021, 7, eabk0273. |
| [42] | Dong Z.; Mattocks J. A.; Deblonde G. J.; Hu D.; Jiao Y.; Cotruvo J. A., Jr.; Park D. M. ACS Cent. Sci. 2021, 7, 1798. |
| [43] | Ye Q.; Jin X.; Zhu B.; Gao H.; Wei N. Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 4276. |
| [44] | Featherston E. R.; Mattocks J. A.; Tirsch J. L.; Cotruvo J. A. In Methods in Enzymology, Vol. 650, Ed.: Cotruvo, J. A., Academic Press, Elsevier, Amsterdam, 2021, p. 119. |
| [45] | Grosjean N.; Le Jean M.; Armengaud J.; Schikora A.; Chalot M.; Gross E. M.; Blaudez D. J. Hazard Mater. 2022, 425, 127830. |
| [46] | Xie X.; Yang K.; Lu Y.; Li Y.; Yan J.; Huang J.; Xu L.; Yang M.; Yan Y. J. Hazard Mater. 2022, 438, 129561. |
| [47] | Kono N.; Nakamura H.; Mori M.; Yoshida Y.; Ohtoshi R.; Malay A. D.; Pedrazzoli Moran D. A.; Tomita M.; Numata K.; Arakawa K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2021, 118, e2107065118. |
| [48] | Yang B.; Jin S.; Park Y.; Jung Y. M.; Cha H. J. Small 2018, 14, e1803377. |
| [49] | Almine J. F.; Bax D. V.; Mithieux S. M.; Nivison-Smith L.; Rnjak J.; Waterhouse A.; Wise S. G.; Weiss A. S. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3371. |
| [50] | Lee H.; Lee B. P.; Messersmith P. B. Nature 2007, 448, 338. |
| [51] | Ren Y. B.; Zhang Y.; Liu Y. W.; Wu Q. L.; Hu H. G.; Li J. J.; Fan C. H.; Chen D.; Liu K.; Zhang H. J. Fundamental Research 2023, 3, 298. |
| [52] | Sun J.; Su J.; Ma C.; Gostl R.; Herrmann A.; Liu K.; Zhang H. Adv. Mater. 2020, 32, e1906360. |
| [53] | Li Y.; Li J.; Sun J.; He H.; Li B.; Ma C.; Liu K.; Zhang H. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8148. |
| [54] | Su J.; Liu B.; He H.; Ma C.; Wei B.; Li M.; Li J.; Wang F.; Sun J.; Liu K.; Zhang H. Adv. Mater. 2022, 34, e2200842. |
| [55] | Sun J.; Xiao L.; Li B.; Zhao K.; Wang Z.; Zhou Y.; Ma C.; Li J.; Zhang H.; Herrmann A.; Liu K. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23687. |
| [56] | Zhao K.; Liu Y.; Ren Y.; Li B.; Li J.; Wang F.; Ma C.; Ye F.; Sun J.; Zhang H.; Liu K. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207425. |
| [57] | Xiao Y.; Yang C.; Guo B.; Zhai X.; Lao S.; Zhao P.; Ruan J.; Lu X.; Liu K.; Chen D. Small Structures 2023, 2300080. |
| [58] | Zhou Y.; Liu K.; Zhang H. ACS Appl. Bio Mater. 2023, 6, 3516. |
| [59] | Zhao L.; Li J. J.; Zhang L. L.; Gu X. Q.; Wei W.; Sun J.; Wang F.; Chen C. Y.; Zhao Y. L.; Zhang H. J.; Liu K. Nano Today 2022, 44, 101485. |
| [60] | Sun J.; Zhang J.; Zhao L.; Wan S.; Wu B.; Ma C.; Li J.; Wang F.; Xing X.; Chen D.; Zhang H.; Liu K. CCS Chemistry 2023, 5, 1242. |
| [61] | Liu S.; Cui Z.; Zhou X.; Liu Z. Chin. J. Chem. 2023, DOI: 10.1002/cjoc.202300328. |
| [62] | Sun J.; He H.; Zhao K.; Cheng W.; Li Y.; Zhang P.; Wan S.; Liu Y.; Wang M.; Li M.; Wei Z.; Li B.; Zhang Y.; Li C.; Sun Y.; Shen J.; Li J.; Wang F.; Ma C.; Tian Y.; Su J.; Chen D.; Fan C.; Zhang H.; Liu K. Nat. Commun. 2023, 14, 5348. |
| [63] | Qin D.; Li J.; Li H.; Zhang H.; Liu K. Nano Research 2023, DOI: 10.1007/s12274-023-5849-x. |
| [64] | Zhang X.; Li J.; Ma C.; Zhang H.; Liu K. Acc. Chem. Res. 2023, 56, 2664. |
| [65] | Wan S.; Cheng W.; Li J.; Wang F.; Xing X.; Sun J.; Zhang H.; Liu K. Nano Research 2022, 15, 9192. |
| [66] | Su J.; Zhao K.; Ren Y.; Zhao L.; Wei B.; Liu B.; Zhang Y.; Wang F.; Li J.; Liu Y.; Liu K.; Zhang H. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202117538. |
| [67] | Liu A. P.; Appel E. A.; Ashby P. D.; Baker B. M.; Franco E.; Gu L.; Haynes K.; Joshi N. S.; Kloxin A. M.; Kouwer P. H. J.; Mittal J.; Morsut L.; Noireaux V.; Parekh S.; Schulman R.; Tang S. K. Y.; Valentine M. T.; Vega S. L.; Weber W.; Stephanopoulos N.; Chaudhuri O. Nat. Mater. 2022, 21, 390. |
| [68] | Zhang P.; Sun J.; Li J.; Zhang H.; Liu K. ACS Chem. Biol. 2023, 18, 1460. |
| [69] | Wang B.; Xu X.; Li B.; Wei Z.; Lu S.; Li J.; Liu K.; Zhang H.; Wang F.; Yang Y. Nano Research 2023, 16, 11216. |
| [70] | Wan S. K.; Cheng W. H.; Li J. J.; Wang F.; Xing X. W.; Sun J.; Zhang H. J.; Liu K. Nano Research 2022, 15, 9192. |
| [71] | Zhang P.; Sun J.; Li J.; Zhang H.; Liu K. ACS Chemical Biology 2023, 18, 1460. |
| [72] | Ren Y.; Zhang Y.; Liu Y.; Wu Q.; Hu H.-G.; Li J.; Fan C.; Chen D.; Liu K.; Zhang H. Fundamental Research 2023, 3, 298. |
| [73] | Sun J.; Li B.; Wang F.; Feng J.; Ma C.; Liu K.; Zhang H. CCS Chemistry 2021, 3, 1669. |
| [74] | Deblonde G. J.; Mattocks J. A.; Park D. M.; Reed D. W.; Cotruvo J. A., Jr.; Jiao Y. Inorg. Chem. 2020, 59, 11855. |
| [75] | Hussain Z.; Kim S.; Cho J.; Sim G.; Park Y.; Kwon I. Adv. Funct. Mater. 2021, 32, 2109158. |
| [76] | Mattocks J. A.; Jung J. J.; Lin C. Y.; Dong Z.; Yennawar N. H.; Featherston E. R.; Kang-Yun C. S.; Hamilton T. A.; Park D. M.; Boal A. K.; Cotruvo J. A., Jr. Nature 2023, 618, 87. |
| [77] | Aigner T. B.; DeSimone E.; Scheibel T. Adv. Mater. 2018, 30, e1704636. |
| [78] | Haynl C.; Hofmann E.; Pawar K.; Forster S.; Scheibel T. Nano Lett. 2016, 16, 5917. |
| [79] | Chen J.; Shi W.; Ren Y.; Zhao K.; Liu Y.; Jia B.; Zhao L.; Li M.; Liu Y.; Su J.; Ma C.; Wang F.; Sun J.; Tian Y.; Li J.; Zhang H.; Liu K. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202304483. |
| [80] | Zou X.; Xu M.; Yuan W.; Wang Q.; Shi Y.; Feng W.; Li F. Chem. Commun. (Camb) 2016, 52, 13389. |
| [81] | Park Y. I.; Lee K. T.; Suh Y. D.; Hyeon T. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 1302. |
| [82] | Choi J. E.; Kim H.-K.; Kim Y.; Kim G.; Lee T. S.; Kim S.; Kim D.; Jang H. S. Materials & Design 2020, 195, 108941. |
| [83] | Leung A. W.; Bydder G. M.; Steiner R. E.; Bryant D. J.; Young I. R. AJR Am. J. Roentgenol. 1984, 143, 1215. |
| [84] | Caravan P.; Ellison J. J.; McMurry T. J.; Lauffer R. B. Chem. Rev. 1999, 99, 2293. |
| [85] | Chen J.; Yang G.; Khan H.; Zhang H.; Zhang Y.; Zhao S.; Mohiaddin R.; Wong T.; Firmin D.; Keegan J. IEEE J Biomed. Health Inform. 2022, 26, 103. |
| [86] | Sari H.; Teimoorisichani M.; Mingels C.; Alberts I.; Panin V.; Bharkhada D.; Xue S.; Prenosil G.; Shi K.; Conti M.; Rominger A. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2022, 49, 4490. |
| [87] | Yamini S.; Gunaseelan M.; Kumar G. A.; Singh S.; Dannangoda G. C.; Martirosyan K. S.; Sardar D. K.; Sivakumar S.; Girigoswami A.; Senthilselvan J. Mikrochim. Acta 2020, 187, 317. |
| [88] | Wei Z.; Liu Y.; Li B.; Li J.; Lu S.; Xing X.; Liu K.; Wang F.; Zhang H. Light Sci. Appl. 2022, 11, 175. |
| [89] | Lucky S. S.; Soo K. C.; Zhang Y. Chem. Rev. 2015, 115, 1990. |
| [90] | Wei Z.; Sun J.; Lu S.; Liu Y.; Wang B.; Zhao L.; Wang Z.; Liu K.; Li J.; Su J.; Wang F.; Zhang H.; Yang Y. Adv. Mater. 2022, 34, 2110062. |
| [91] | Du K.; Feng J.; Gao X.; Zhang H. Light Sci. Appl. 2022, 11, 222. |
| [92] | Jin G.-Q.; Chau C. V.; Arambula J. F.; Gao S.; Sessler J. L.; Zhang J.-L. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 6177. |
| [93] | Zhang Q.; Liu Y.; Liu K.; Zhang H. Nano Research 2023, DOI: 10.1007/s12274-023-5848-y. |
| [94] | Singer H.; Drobot B.; Zeymer C.; Steudtner R.; Daumann L. J. Chem. Sci. 2021, 12, 15581. |
| [95] | Park J.; Cleary M. B.; Li D.; Mattocks J. A.; Xu J.; Wang H.; Mukhopadhyay S.; Gale E. M.; Cotruvo J. A., Jr. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2022, 119, e2212723119. |
/
| 〈 |
|
〉 |
