稀土元素純化：SpyCI-LAMBS 高通量蛋白質篩選技術與工業應用潛力
科技產業資訊室(iKnow) - 廖雅韻 發表於 2026年4月29日
圖、稀土元素純化：SpyCI-LAMBS 高通量蛋白質篩選技術與工業應用潛力
在全球淨零轉型加速推動下，使稀土元素（Rare Earth Elements, REs）成為潔淨能源與高科技產業不可或缺的關鍵戰略資源。然而，稀土金屬的開採與純化長期面臨高度技術門檻與嚴峻環境衝擊。由於各稀土元素在離子半徑、配位數與幾何結構等物理化學性質上極為相近，且多以共生型態存在於天然礦床中，使單一元素的高純度分離極具挑戰性。
目前工業仍以「多階段液-液萃取法」為稀土純化的主要技術，需大量使用有機溶劑與強酸，不僅耗能高、廢液處理負擔重，也對生態系統造成長期污染風險。為兼顧供應鏈安全與環境永續，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）與賓州州立大學近年積極發展以「鑭高親和力蛋白」（Lanmodulin, LanM）為核心的生物萃取策略，以全水相的綠色製程提升稀土分離效率。
LanM最初發現於部分依賴稀土元素進行代謝的細菌體內，具備極高的稀土選擇性與結合能力，因此被視為新一代生物冶金材料的重要候選。然而，該技術若要推進至工程化與產業化，仍受限於關鍵瓶頸：傳統以管柱層析量測金屬蛋白選擇性的流程通量過低，從蛋白生產、純化到分析往往需至少一週時間，且一次僅能測定少數幾個蛋白的選擇性，難以支撐大規模蛋白質庫（Library）（10²–10³種變體）的系統性探索，也不足以提供機器學習模型訓練所需的高品質數據。
為突破此限制，研究團隊開發高通量篩選平台「SpyCI-LAMBS」，利用SpyTag/SpyCatcher共價結合機制，使目標蛋白可自動且專一性固定於CPG微珠表面，並能直接從細胞裂解液中捕捉目標蛋白，完全省略傳統純化程序。透過與96孔深孔培養盤流程整合，在短時間內同步測定大量蛋白變體對多種稀土元素的結合偏好，使過去難以進行的系統性篩選成為可行，並可在約一週內（不含選殖步驟）完成數百種蛋白對15種稀土元素選擇性的全面測定。
藉由SpyCI-LAMBS所建立的大規模數據，研究團隊進一步辨識出8個功能群集，其中「群集5」展現最強分離潛力，能有效排斥低價值輕稀土鑭（La³⁺），並提升對高價值稀土元素的選擇性。代表性蛋白「Melba-LanM」在鐠/鑭（Pr³⁺/La³⁺）分離測試中表現尤為突出，可透過單階段pH調控達成>99.9 mol%鐠純度與83%回收率，且無需額外配體輔助，使後端轉化為工業所需氧化物更為簡化。此特性亦與現有管柱層析製程高度相容，具備製程放大與多理論板堆疊的應用潛力，顯示其在稀土供應鏈中具明確商業價值。
更重要的是，SpyCI-LAMBS不僅提升篩選效率，更提供可擴展的高品質數據生成平台，為「數據驅動蛋白設計」奠定基礎。未來若結合機器學習與蛋白工程技術，可望開發具特定金屬選擇性的客製化蛋白，並進一步延伸至其他戰略金屬的分離與回收應用。
整體而言，本研究顯示以全水相生物技術取代高污染化學萃取具有高度可行性，對降低環境負擔、提升稀土純化效率及強化關鍵材料供應鏈韌性具有重要戰略意義。該成果已發表於《Nature Chemical Biology》期刊，為綠色稀土純化技術提供具體且可落地的產業化新方向。（1118字；圖1）
參考資料：
How a faster protein-screening tool could strengthen US rare-earth supply chains. Phys.org, 2026/4/22
A family portrait of lanmodulin selectivity for enhanced rare-earth separations, Nature Chemical Biology. 2026/3/18
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