综述：自然界的纳米技术战士：金属蛋白与蛋白笼在环境修复中的作用

《Advanced Sustainable Systems》：Nature's Nanotech Warriors: The Role of Metalloproteins and Protein Cages for Environmental Remediation

　　

重金属毒性威胁人类健康与环境可持续性。采矿及工业活动扩张直接导致污染加剧，空气、水与土壤均受波及。传统修复依赖高成本的物理萃取与化学沉淀，需大量基础设施支撑。利用生物系统进行生物修复提供了一种可持续、生态友好且高效的替代方案。本综述聚焦专为高效生物修复设计的基于蛋白质的系统。自然界中，金属蛋白如金属硫蛋白、植物螯合肽、P型ATP酶、磷酸酶，以及铁蛋白等自组装蛋白笼，经细菌数百万年演化形成，用于清除重金属。这些蛋白通过高亲和力结合位点螯合金属，铁蛋白笼则借助静电相互作用与氧化作用封装金属。研究人员深入解析金属螯合机制，并通过蛋白质工程、合成生物学与人工智能技术优化这些系统，获得高效生物材料。过去二十年，蛋白质系统已被用于镉、铅、汞、砷与铀的生物矿化。尽管成果显著，可重用性、规模化与成本仍是待解挑战。近期蛋白质工程与人工智能的进展受金属蛋白启发，已设计出具有工程化金属结合位点的选择性、可规模化蛋白笼。这一跨学科领域有望为重金属污染提供有效解决方案，正吸引多学科研究者投身其中，前景广阔。

1 引言

重金属如镉（Cd）、铅（Pb）、汞（Hg）、砷（As）、铬（Cr）、锌（Zn）乃至铀（U）因工业活动与快速城市化在环境中不断累积且无生物降解途径。其在生态系统中的含量上升扰乱生物地球化学循环，通过食物链与水资源的富集引发严重健康问题，包括神经系统疾病、癌症与器官损伤，肾脏尤其易受重金属毒性影响。采矿废水、农业肥料、工业废水与电子垃圾被确认为重金属污染的主要来源。传统修复技术如电动萃取、土壤清洗与化学稳定化不仅能耗极高，还会产生大量二次污染物。

利用生物体及其组分如蛋白质清除环境污染物的生物修复，相比传统方法更具生态友好性、能效与经济性。金属蛋白是一类将不同金属离子整合至结构中以维持生理功能的特殊蛋白，对细胞金属稳态与解毒至关重要，其家族包括金属硫蛋白（MTs）与植物螯合肽（PTs）。MTs是富含半胱氨酸的小分子蛋白，通过半胱氨酸残基螯合金属；PTs仅存在于植物中，同样利用半胱氨酸实现金属螯合。金属蛋白家族的其他关键成员还包括磷酸酶、P型ATP酶与人工设计蛋白，主要承担金属转运或螯合功能。铁蛋白等蛋白笼由24个亚基组装而成，部分人工设计的蛋白笼也具有中空腔体，可作为多种金属离子的天然储存库。铁蛋白的生理功能为维持铁稳态，其利用铁氧化酶中心与多孔外壳清除金属，结构多样性使其具备螯合多种重金属的巨大潜力。

本综述系统梳理了利用金属蛋白与蛋白笼进行重金属生物修复的最新重要进展，涵盖不同金属蛋白与蛋白笼的金属结合机制、详细结构信息，以及应用于微生物、植物与合成系统中实现高效修复的蛋白质工程策略。此外，综述分析了金属硫蛋白与植物螯合肽如何利用半胱氨酸与组氨酸残基实现镉与汞的高亲和力捕获：MTs在捕获过程中形成稳定金属簇，PTs则在植物液泡中实现灵活螯合。蛋白笼如铁蛋白与新开发的人工笼主要依赖铁氧化酶中心与设计金属中心实现金属离子的高效储存，病毒样颗粒等变体也被纳入研究范畴。工程策略如定点突变、定向进化与合成生物学手段提升了体系的选择性，并将其整合至微生物群落或植物中；同时从头设计蛋白如超级铀酰结合蛋白（SUPs）及其下一代工程变体可实现接近飞摩尔级的铀结合亲和力，有望在未来应对全球污染挑战。

2 蛋白介导生物修复的重要性

微生物系统最有效地利用蛋白介导的生物修复策略以适应极端环境，通过多种蛋白作为核心组件实现高亲和力金属结合、生物转化与最终生物矿化。这类蛋白多定位于细菌表面用于金属捕获，典型例子为恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）表达的金属硫蛋白，在低pH条件下对Cu(II)表现出极高亲和力，可实现水相中近100%的螯合。同样，芽孢杆菌属与假单胞菌属中的汞还原酶（一种黄素蛋白）可将有毒Hg(II)高效转化为挥发性Hg(0)并从细胞中释放。假单胞菌B50A菌株利用汞还原酶活性可有效修复矿区汞污染土壤即为典型案例。另一典型例子为芽孢杆菌SFC 500–1E大量表达铬酸盐还原酶，通过NADH依赖的还原途径将高毒Cr(VI)高效转化为溶解度更低、毒性更弱的Cr(III)。不动杆菌属也在微生物修复体系中发挥重要作用，其通过亚砷酸盐氧化酶将As(III)氧化为毒性更低的As(V)，该策略已成功应用于制革行业污泥修复。硫酸盐还原地杆菌（Geobacter）同样表现出优异的重金属修复能力，利用铁载体蛋白与相关酶将U(VI)转化为低毒U(IV)并形成不溶性磷酸复合物，该过程在铀污染地下水解毒中效果显著，相关蛋白同时承担能量依赖型金属摄取与放射性核素长期稳定的双重功能。上述细菌蛋白体系充分证明了自然系统对重金属毒性的环境解毒潜力。

与传统膜过滤、化学沉淀、物理萃取与离子交换等方法相比，蛋白基生物材料优势显著。传统技术存在高能耗与重基础设施投入的瓶颈，且会产生对环境有害的有毒化学副产物；而蛋白基生物材料生态友好、可持续且副产物危害更低，一旦下游工艺成熟还可实现成本可控，使其成为未来重金属生物修复的适配方案。在参与重金属修复的多样蛋白家族中，金属硫蛋白、磷酸酶与P型ATP酶（参与外排）的效能已获大量科学研究验证。近期铁蛋白及其多个工程变体等蛋白笼也显示出优异的金属修复应用潜力，除天然蛋白笼外，带有人工金属中心的从头设计笼因能以高精度封装大量重金属并实现长期稳定储存，同样受到研究界的广泛关注。

3 重金属生物修复中的金属蛋白

金属蛋白在自然界广泛存在，利用组氨酸、半胱氨酸与谷氨酸等残基与金属形成高稳定性复合物。其对重金属的结合亲和力通常较高，部分可达飞摩尔级别，因此可实现精准捕获，在生理层面常作为防止细胞重金属损伤的核心机制。在各类金属蛋白家族中，金属硫蛋白（MTs）的研究最为深入。结构上其为小分子蛋白（6–7 kDa），半胱氨酸残基占比高达30%，分布于包括古菌在内的原核生物中，在真菌等真核生物中也广泛存在。MTs通过其高度保守的半胱氨酸残基在结构域界面（α与β结构域）配位镉、锌、铜等不同重金属，形成稳定的金属硫醇盐簇。金属配位后这些簇会形成致密笼状结构；值得注意的是，脱金属态的多数MTs存在大量固有无序区域，仅在金属结合后才会发生无序到有序的转变，尤其在金属结合中心周围表现明显。

除MTs外，植物螯合肽（PCs）是另一类在自然界中高效捕获重金属的半胱氨酸富集肽类。PCs通常由谷胱甘肽经植物螯合肽合成酶酶促合成，遵循(γ-Glu-Cys)_n-Gly通式（n为2至11）。与MTs类似，PCs同样利用多个半胱氨酸基团进行金属配位，配位后可形成柔性线性构象或金属簇，这些稳定的金属肽复合物常以金属簇或结晶态形式封存于液泡内。MTs与PCs的核心差异在于前者为蛋白质，后者为肽类，但二者共享基于半胱氨酸的金属捕获机制，且常协同发挥作用，构成复杂的金属修复体系，共同体现了其在金属解毒中的互补策略。

MTs最早发现于马肾组织，被证实具有镉结合功能。除镉外，其对Zn²⁺等金属也可达到纳摩尔级结合亲和力，所有金属结合过程普遍形成四面体配位构型。在铜绿假单胞菌等微生物中，MTs通过将金属螯合于细胞内降低生物可利用性，赋予菌体对镉与汞的抗性。研究发现，鱼腥藻中的金属硫蛋白受AzuR蛋白调控，该蛋白作为转录抑制因子，Zn²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺与Mn²⁺等金属离子存在时会破坏AzuR与DNA的结合，表明AzuR负向调控金属诱导的鱼腥藻金属硫蛋白（NmtA）的表达。功能研究显示NmtA特异性抵御镉毒性而非氧化应激，凸显其作为选择性金属结合蛋白的功能。进一步的生化与结构分析揭示NmtA具有金属诱导折叠特性与高亲和力Cd²⁺螯合能力，符合II类金属硫蛋白特征。此外，过表达AzuR会增强鱼腥藻对镉胁迫的敏感性。PCs主要存在于植物与藻类，在重金属暴露后通过谷胱甘肽依赖途径快速合成。拟南芥中植物螯合肽合成酶的激活可促使PCs生成，将镉以肽金属复合物形式高效捕获并封存于液泡内，从而提升植物对重金属的耐受性。近期研究还发现，过量表达PCs的印度芥菜对镉的耐受性显著提升，且该植物的金属螯合同样主要发生在液泡中。

金属蛋白介导的生物修复机制可划分为三个核心事件：首先是生物吸附，随后是生物积累，最终为生物转化。生物吸附包括金属阳离子通过静电作用被动结合至蛋白表面带负电的区域，该过程在镉与MTs结合研究中被充分证实，伴随构象改变稳定β结构域，形成稳定的Cd₄Cys₁₁簇以实现金属紧密固定。生物积累通常通过主动转运与胞内蛋白结合的协同作用实现，近期在大肠杆菌中的研究显示，工程化MT融合蛋白可使镉积累量提升近100倍。生物转化的核心效能在于降低毒性，例如汞还原酶（MerA）作为一种黄素依赖性金属蛋白，可将Hg²⁺离子还原为挥发性Hg⁰，进而排出细胞，对环境毒性降至最低。

值得关注的是植物微生物共生互作可为重金属修复增添一层有效屏障。例如根际细菌可产生铁载体（专门螯合Fe³⁺的小分子物质），捕获金属并使其更易被植物根系表达的MTs封存，二者耦合可大幅提升重金属修复潜力。综上，金属硫蛋白、植物螯合肽及其他蛋白体系充分展示了自然界用于重金属解毒的多样工具库，为未来生物修复技术提供了强大策略支撑。

3.1 磷酸酶的作用

磷酸酶是一类具有重要金属结合活性的酶，其核心生理功能为水解有机磷底物释放无机磷酸盐（Pi），该过程可辅助重金属沉淀为稳定的不溶性衍生物（主要为磷酸盐）。从结构角度，修复相关磷酸酶分为两大类：碱性磷酸酶（ALPs）与酸性磷酸酶（ACPs）。ALPs为同源二聚体（单体大小约50 kDa），其活性中心在进化中高度保守，可配位Zn²⁺、Cd²⁺或Co²⁺等多种二价重金属离子，金属配位对其催化活性与底物周转均为必需。相比之下，ACPs适应酸性环境（如矿区排水区），利用Fe³⁺或Mn²⁺等离子激活活性中心。ALPs与ACPs的底物特异性也存在差异。尽管在结构、大小与寡聚化状态上存在区别，多数ALPs与ACPs均携带Asp-His-Ser/Thr等保守基序与动态活性中心结构，赋予其广谱底物特异性。

ALPs与ACPs的生物修复机制包含两步：首先酶促水解有机磷酸盐释放游离磷酸盐，随后重金属通过非生物过程沉淀为磷酸盐衍生物，最终将重金属以高度不溶、环境稳定性强的形态封存。例如有毒Pb²⁺可被固定为氯磷铅矿（Pb₃(PO₄)₂Cl）；有毒U(VI)可储存为稳定的钙铀云母型矿物（(UO₂)₃(PO₄)₂·nH₂O）；磷酸酶还可将Cd²⁺或Zn²⁺分别转化为Cd₃(PO₄)₂与Zn₃(PO₄)₂。这些复合物天然难溶且抗浸出，大幅降低了向土壤与水体扩散的风险。磷酸酶介导的修复过程还受磷酸盐供体（如甘油磷酸）、局部pH（尤其是微环境pH）与二价金属辅因子的影响，不同金属辅因子对不同酶的反应既可能表现为抑制，也可能表现为促进，具有高度特异性。

近十年蛋白质工程与合成生物学的进展重新定义了磷酸酶修复的潜力。巴西研究团队近期证明，将ALPs固定在磁性纳米颗粒上可显著提升酶稳定性并实现金属离子回收，该纳米酶偶联体系可用于废水污染处理，同时对Pb²⁺与U(VI)等重金属均有良好螯合效果。事实上，将工程化磷酸酶封装于蛋白纳米笼或金属有机框架（MOFs）等保护支架中，可保护酶免受严苛环境降解，并在宽pH范围内维持酶活性，充分体现了生物材料向规模化修复体系的集成潜力。相关研究均凸显了该方法作为长效固定危险金属的生态友好、经济可行且可规模化的修复路径，近期一项中试规模研究利用该类酶生物反应器，已为工业废水、矿区排水等场景提供了可持续解决方案。

3.2 跨膜蛋白（P型ATP酶）的作用

与金属硫蛋白和磷酸酶类似，P型ATP酶也为自然生物修复提供了有力支持。P型ATP酶是一类大型跨膜蛋白家族，通过水解ATP驱动离子跨生物膜转运。其中重金属ATP酶（HMAs）在选择性将有毒金属泵出胞质、间接保护细胞免受活性氧与其他损伤方面发挥关键作用。P型ATP酶携带多个保守结构域：跨膜（TM）结构域、发生可逆磷酸化的磷酸化（P）结构域、负责ATP结合与水解的核苷酸结合（N）结构域，以及调控构象转变与去磷酸化的执行（A）结构域。HMAs的独特性体现在其TM结构域中存在半胱氨酸、组氨酸与甲硫氨酸富集基序，赋予其对Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺等二价金属及As³⁺等类金属的特异性识别能力。

HMAs的重金属转运机制经历E1与E2两种构象转换。E1状态下HMAs结合重金属离子，随后ATP结合与P结构域磷酸化驱动构象切换至E2状态；E2构象下金属亲和力下降，金属被释放至胞外空间（多为周质间隙或液泡）。这类ATP酶通过将重金属泵出细胞质降低胞内金属浓度，从而减少氧化应激。

多数HMAs源自植物与微生物，近期拟南芥HMA4（HMA4）的过表达被证实可有效去除污染土壤中的镉与锌。同样，从冶金贪铜菌（Cupriavidus metallidurans）中分离的细菌HMAs在高金属环境中表现出优异的解毒能力与废水修复效果。已有研究开发出用于修复的工程化HMAs，如金黄杆菌（Chryseobacterium）PMSZPI菌株的HMA经改造后底物选择性拓宽、周转速率提升，可有效用于镉与铅的去污，展现了下一代修复技术的应用潜力。当前研究聚焦于开发在不同环境条件下稳定性与耐受性更强的P型ATP酶系统，人工智能驱动的蛋白质工程工具为实现这一目标提供了可能，已有案例证明人工智能方法可显著提升酶的稳定性与底物选择性，为场景化部署提供支持。

3.3 用于金属螯合的从头设计金属结合蛋白

随着人工智能在蛋白质工程中的应用发展，从头设计金属结合蛋白已从概念走向实践。这类设计允许研究人员完全从零开始创造全新蛋白序列，而非仅对现有模板进行修饰。该过程由机器学习引导设计与生成模型预测驱动，可设计出精确折叠并携带工程化金属结合基序的蛋白。为实现高精度金属结合，通常引入半胱氨酸、组氨酸或天冬氨酸/谷氨酸构建高亲和力金属结合位点，且经过多轮迭代优化的设计蛋白在稳定性与金属结合能力上往往优于天然金属蛋白。

从头设计蛋白本质上是一类具有选择性金属螯合能力的人工金属螯合剂，已有案例证实其可在实际场景中捕获镉、铜、锌与汞等有毒金属离子。因其易于制备，可应用于从细胞重金属解毒（通过工程化膜转运蛋白）到细胞表面传感器蛋白平台的重金属检测等多个领域，还可整合至工程化微生物与转基因植物中，原位净化污染土壤、水体与工业废物。由于采矿与工业活动扩张，重金属污染已威胁地球大面积陆地，生物富集带来的神经毒性、肾毒性与致癌风险显著上升。

除从头设计外，混合策略也提供了创新路径，例如将天然导入蛋白（如MerT/P）与工程化储存肽结合以拓展金属处理能力。表达从头设计金属硫蛋白变体或多聚磷酸激酶的工程大肠杆菌可高效螯合并还原汞；表达碱性磷酸酶（PhoK）的耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）已被用于铀沉淀；通过表达携带组氨酸富集环的钒结合蛋白类似物，大肠杆菌的铜摄取能力也得到提升。

其中最具代表性的从头设计蛋白为超级铀酰结合蛋白（SUPs），其为计算设计所得，可选择性结合铀酰阳离子（UO₂²⁺）——铀在水环境中的可溶性存在形式。SUPs携带羧酸盐与羰基富集基序，排列成可匹配线性O=U=O几何构型的结合口袋，从而实现纳摩尔至皮摩尔级的结合亲和力，且在Ca²⁺与Mg²⁺等竞争阳离子存在下仍保持高选择性。SUP结构域具有α/β折叠，可稳定保守酸性残基，作为硫酸盐与铀酰物种（UO₂²⁺）等含氧阴离子的配位位点——二者结构相似，使铀酰离子可模拟硫酸盐结合并锚定于同一口袋中。SUP结构域通过阴离子结合位点捕获UO₂²⁺离子，其与羧酸侧链及主链羰基的多重配位键可稳定结合态，降低溶液中游离离子浓度，从而降低毒性。

从头设计蛋白如SUP可同时应用于生物修复与核废料清理。中国研究团队近期通过工程化改造提升了SUP的金属负载能力，开发出阶梯启发式铀酰结合蛋白（LSUBP）；该SUP变体在其核心α螺旋结构中携带两个铀结合位点，进一步增强了铀的固定能力，可从海水中实现25.6 mg U g^-1的吸附量，展现出极高的选择性与捕获效率。尽管单结合位点的SUP仍具有最优结合亲和力，该类设计为实际应用与现场部署提供了可行路径。未来将其固定于膜、水凝胶甚至蛋白纳米笼（如铁蛋白、 encapsulins或工程化蛋白笼）中，可成为从污染水、矿山废水与海水中高效捕获铀的手段。SUP体积小、稳定性强且具有模块化折叠设计，适合开发更高结合亲和力的工程变体，还可用于构建基于SUP的生物传感器，实现铀酰的高灵敏选择性检测。过去五年间，研究人员已开发出具有更高亲和力、更广pH稳定性且成功整合至杂化材料的SUP变体，为可规模化、生态友好的铀螯合策略铺平了道路。

3.4 细菌金属蛋白：新兴的重金属螯合平台

微生物金属硫蛋白（尤其源自蓝细菌）近年受到学界高度关注，短时间内已被证实为稳健且通用的重金属螯合体系。这类金属硫蛋白携带进化保守的金属捕获基序，可高效调控金属稳态。这些复杂的金属结合蛋白组合使细菌能在富金属或金属胁迫环境中生存。金属蛋白质组学旨在绘制并表征这类蛋白，以深入理解必需金属与有毒金属的金属稳态机制。原本作为微生物生存策略进化的体系，如今可转化为生态友好且动态的生物修复与环境生物技术平台。

细菌金属蛋白可占其总蛋白质组的40%，包含金属配位生物分子的广泛阵列，如金属酶、ATP酶、转运蛋白、分子伴侣与储存蛋白。这些蛋白可与锌、铁、铜、锰等必需金属，以及镉、汞等有毒金属发生相互作用。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、X射线荧光（XRF）、质谱与蛋白质组学等分析方法揭示了“不稳定金属池”的存在，其通过瞬时金属代谢物相互作用动态维持。金属蛋白可通过特异性基因调控与翻译后修饰适应金属可用性的波动。

以高金属耐受性的冶金贪铜菌为模式系统，其编码超过100个金属相关基因，通过协同外排系统与金属硫蛋白赋予其对金、银、铜等的高浓度耐受性。铜绿假单胞菌与枯草芽孢杆菌等细菌利用金属硫蛋白、胞外聚合物、铁载体与磷酸酶等多种机制固定并解毒镉与铅等重金属。嗜酸甲烷氧化菌（Methylacidiphilum fumariolicum）利用镧系元素依赖酶捕获稀土金属，该菌同时可捕获铀，凸显其在放射性废物管理中的应用潜力。从铀矿床中分离出的金黄杆菌PMSZPI菌株在铀与其他重金属污染区域表现出高存活能力，通过生物膜形成诱导金属耐受性磷酸酶、PIB型ATP酶与抗氧化酶级联反应实现高金属胁迫耐受。该研究组进一步证实沙雷氏菌（Serratia）可在宽pH条件下高效去除铀与其他有毒金属，展现了其大规模可持续修复的应用潜力。

总体而言，金属蛋白作为螯合剂的表现优于现有化学方法，尤其在镉与锌的选择性分离方面优势显著。这类蛋白与酶历经数百万年进化形成当前优化构型以实现选择性金属结合，同时也使其在宿主防御策略中发挥关键作用，通过高亲和力结合铁、锌、锰等必需金属调控金属稳态。高等真核生物中的转铁蛋白、乳铁蛋白与钙卫蛋白等蛋白已知参与金属调控；宿主通过限制金属可用性对病原体施加强选择压力，导致病原体金属灵活代谢通路的分化与过表达。在此背景下，金属分子伴侣与核苷酸依赖的转运系统在精准递送金属至酶并维持稳态方面至关重要。为应对该情况，细胞还进化出铁蛋白与铁小体等基于蛋白的储存系统，实现金属的瞬时螯合与可控释放，将分子层面的金属处理与超分子组织关联起来。

汞抗性操纵子调控蛋白（MerR）属于MerR家族转录因子，为金属响应调控因子，可通过结合Hg²⁺、Cu⁺、Zn²⁺或Cd²⁺等特定离子激活基因表达。MerR固有的金属结合功能使其经工程改造后可在重金属污染场地修复中发挥强力作用。MerR调控的启动子可被设计为驱动解毒基因（如merA汞还原酶、merB有机汞裂解酶）、金属外排泵或金属螯合蛋白的表达，从而形成自主“感知响应”回路，确保无污染物时蛋白处于失活状态，降低宿主细胞的代谢负担。

针对MerR蛋白的工程化改造可结合反馈放大回路与基于CRISPR的转录调控等生物学工具，进一步提升其适应性与功能，使工程化MerR蛋白成为重金属污染环境的高效响应式生物修复工具的通用组件。

尽管天然金属蛋白面临动力学与环境限制，合成生物学与蛋白质工程正被用于快速提升其效率。表达金属硫蛋白融合蛋白的工程大肠杆菌相比野生型可积累更多镉。理性设计的铁蛋白笼与细菌纳米隔室提供了可重复使用的、高亲和力的选择性金属回收支架。这些工程化体系将自然进化的金属蛋白转化为具有更优亲和力、特异性和可重用性的蛋白。细菌金属稳态与金属蛋白质组学系统揭示了进化如何塑造微生物在金属胁迫下的生存策略，可为下一代金属蛋白与纳米笼的设计提供指导，服务于生物修复、纳米技术与可持续资源回收。随着对关键与稀有金属需求的上升，微生物金属蛋白质组学、结构生物学与合成设计有望为环境与工业可持续性提供新型生物学解决方案。

3.5 蛋白笼介导的重金属螯合

蛋白笼又称蛋白纳米笼，是由蛋白亚基自组装形成的天然或工程化超分子组装体，具有中空球形或笼状结构。其直径通常为10–20 nm，可提供限域纳米环境以封装分子或离子。近期铁蛋白及其不同工程变体等蛋白笼展现出作为多功能生物反应器的巨大潜力，尤其适用于重与稀土金属去除。铁蛋白超家族蛋白发现较早且笼化能力研究深入，通常由12或24个亚基组成，形成直径8或12 nm的球形壳层，内部腔体大小为5–8 nm，最多可容纳4500个铁离子。尽管铁蛋白超家族蛋白的生理功能为储存铁，但其对其他多种二价金属离子的结合亲和力与铁相当甚至更高；金属结合通过铁氧化酶位点氧化，以及三/四重通道与带负电内腔的带负电残基介导，这些区域通常负责铁的进入、氧化与矿化。除铁蛋白超家族外，病毒样颗粒（VLPs）也有少量用于重金属修复，但应用程度远低于铁蛋白，目前少数其他蛋白笼（包括VLPs）已显示出对水、土壤与工业废物中铅、汞、镉、镍、钴、锂与砷等有害金属的解毒活性。重要的是，铁蛋白与VLPs均为环境友好型生物系统，几乎无毒性，且可清除大量重金属离子，是传统化学金属清除系统的理想替代方案。

蛋白笼通过多层复合策略清除金属离子：不同带电残基的协同作用首先驱动金属通量，随后发生成核与氧化反应。通常这类金属结合蛋白笼在金属入口通道或内部腔体携带大量带负电残基，金属离子穿越笼体时主要与这些残基相互作用，到达深埋于腔内的金属中心后发生成核。该过程将金属与细胞环境隔离并浓缩以便回收。在铁蛋白中，成核与氧化几乎同步发生，通常形成惰性不溶形态（如金属氧化物、氢氧化物或磷酸盐），从而将其稳定在无毒状态。蛋白笼是自然演化产生的独特蛋白结构，其笼大小、设计与几何构型进一步决定孔径与电荷选择性，可实现特定金属的选择性摄取，并从复杂金属混合物中