植物生物矿化研究进展综述

2023-03-14陈礼丽徐意诚温海虹

安徽农学通报 2023年2期

陈礼丽徐意诚温海虹

（温州大学生命与环境科学学院，浙江温州 325035）

生物矿化（biomineralization）是生物体产生具有多功能特性矿物质的基本生物过程。生物体利用矿物质硬化其组织并为其提供坚硬物理支持，是自然界的一种普遍现象，广泛存在于细菌、硅藻、海绵、贝壳以及包括人类在内的高级哺乳动物中[1-3]。在生命活动中，生物有机体精确控制或代谢产物诱导无机物质的分异、迁移、富集和转化，并通过生物大分子的调控将溶液中的离子转变为无机固相矿物来实现生物矿化过程，整个过程对于动物的骨骼、牙齿等生物组织的形成发挥了至关重要的作用，也间接形成了一些具有奇特形态的自然奇观，如珊瑚、珍珠等[4]。该文主要介绍植物生物矿化的研究现状以及生物矿化产物对人类的应用价值。

1 高等植物的生物矿化

植物界中广泛存在生物矿化现象，植物生命有机体的生物矿化产物（即生物矿物）的形成是新陈代谢作用的结果[5]。目前，在植物中主要有硅化矿物和钙化矿物2种。

禾本科植物细胞多糖等可促使细胞从自然环境中选择性地吸收可溶性硅，在植物学上被称为“硅酸植物”，吸收的硅酸主要以硅酸钙的形态在叶片、叶鞘、花序等器官中，并在某些特定细胞的细胞壁上沉积，形成一层坚硬的外壳，在植物学中被誉为“植物硅酸体（silica body）”，也被称为植物蛋白石[6-7]，植物蛋白石如同动物的骨骼，对植物体起支撑作用，而将沉积有硅酸的细胞称为硅化细胞。在水稻叶片中聚合形成的各种无定型生物硅的微观结构即植物蛋白石，采用高分辨率扫描电子显微镜（SEM）分析发现其是由二氧化硅纳米颗粒组成的。

光是调节钙吸收的最重要的环境信号，与植物的生长和形态有关。蓝光和红光受体的作用会导致膜性质、基因表达以及与钙盐相关的蛋白质和多糖的表达发生变化，进而形成作为混合材料的生物矿物。例如对香蕉植物的生物矿化系统的研究表明，在密闭空间（晶体室）中，晶体室内部的自组装纤维—水草酸钙（calcium oxalate monohydrate，COM）针状矿物为生物矿物的形成提供了模板[8]。

草酸钙晶体在植物界中分布广泛，主要沉积于维管束植物的叶片、茎、种子、苞片、花药、根等器官的晶异细胞中，植物体内草酸钙晶体形成的过程，是内源合成的草酸和外源吸收的钙离子共同反应的产物，这一过程并不是简单的化学沉淀过程，而是受严格的遗传调控。其中钙结合蛋白（calcium bindingprotein，CBP）起着至关重要的调控作用，这类蛋白主要由存在于细胞内质网中的钙网蛋白（calreticulin）和收钙素（calsequestrinlike）组成。草酸钙晶体可以调节细胞内过高的Ca2+的浓度，并减少草酸对细胞的危害；平衡调节其他离子，如Na+和K+；是自我保护以防御昆虫捕食的机制。

2 藻类植物的生物矿化

硅藻是一种真核微藻，能产生由二氧化硅构成的特定结构的细胞壁，其结构见图1。图A为硅藻细胞壁的结构模式图，上下2层坚硬的二氧化硅壳组成完整的细胞壁，硅壳也是其最典型的分类特征；图B为不同类型的硅藻细胞壁的电子显微镜图；一个显著特征是其硅基细胞壁呈现出复杂的多尺度图案，结构元素从微米到几十纳米不等[9-11]。

图1 硅藻结构

1999年Nils Kröger等[14]发现了硅藻中存在硅烷多肽（Silaffin），首次发现了硅藻体内介导生物矿化的物质硅烷多肽，发现了在中性环境中生物矿化的代表性硅亲和多肽R5，揭开了硅藻可形成硅化细胞壁的原因。2017年在长囊水云（Ectocarpus siliculosus）中发现了在酸性环境下具有较强的矿化能力的硅亲和多肽EctP1[15]。Jobichen等[16]通过冷冻电镜对细菌铁蛋白纳米笼结构的观察，证明了铁蛋白参与细菌体内的生物矿化，为硅亲和多肽介导生物矿化提供了试验依据。

Tan等[17]研究小球藻（Chlorella）的生物矿化时发现，蒙脱石（montmorillonite，MMT）可以促进光合作用和尿素水解生成碳酸盐，这可能是由于蒙脱石具有更高的pH缓冲能力以及小球藻-蒙脱石结合过程中增加的负电荷，二者之间的相互作用改善了蒙脱石与Pb（II）之间的离子交换，从而促进了小球藻的生物矿化。

除了pH和负电荷，金属离子也是影响藻类矿化的因素之一，例如藻类细胞间文石和方解石即碳酸钙矿物的形成。Magnabosco等[18-19]通过评估钙化生物中的矿物生长的标的物——钙黄绿素（calcein）对方解石和文石结构的影响，证实在Mg2+存在的条件下，Mg2+抑制文石的形成，却促进镁方解石的形成。

氢气（H2）以其高转化效率、环境友好和高能量被认为是一种很有前途的化石燃料替代品[20]。在自然界中，光合微生物，尤其是绿藻，可以通过与光合机制耦合的氢化酶（一种催化分子氢可逆氧化的酶）使水光解生成H2，但是这种机制产生的氢气量很有限，无法满足广大的实际应用需求。为了扩大生产，采用仿生矿化的手段硅化诱导绿藻形成聚集体，在自然好氧条件下能实现可持续的光生物制氢[21]，这种硅化诱导藻类制氢的方式极有可能成为寻求清洁可再生能源的新途径。

3 植物生物矿化机理及仿生矿化

目前已知在中性环境中仿生矿化二氧化硅能力最强的是硅藻的硅烷多肽，硅烷多肽sil1p多肽主要由7条短肽组成，分别命名为R1～R7，其中最典型的是R5，沉淀二氧化硅的能力最强，形成的二氧化硅颗粒匀称。sil1p多肽序列和沉淀产物二氧化硅见图2：图A为硅烷多肽sil1p的组成，图B为R5沉淀二氧化硅前体产生的二氧化硅形貌，但这种温和条件下高效沉淀二氧化硅的具体机制还有待进一步研究[14，21]。

图2 多肽序列和沉淀产物二氧化硅

近年来，人们对硅藻在环境条件下二氧化硅形态发生的分子机制有了深入了解。这些微小的藻类依靠细胞内的生物矿化机制，选择性吸收硅，由硅藻细胞壁蛋白介导生成二氧化硅壳[22]。硅藻生物硅壳的形成是一个高度复杂的过程，对硅藻细胞壁蛋白进行生化分析，表明二氧化硅生物矿物的形成需要独特的蛋白质结构和特性[23]，在自组装生物硅形成模板的帮助下发生矿化[24]。

对R5多肽进行三号位赖氨酸甲基化（K3）和四号位赖氨酸甲基化（K4）的翻译后修饰，有助于重新定向多肽与正硅酸盐的结合，可以实现控制二氧化硅沉淀尺寸。这项研究发现了R5赖氨酸侧链甲基化对二氧化硅颗粒形成的特定作用[25]，多肽所带电荷的正负性影响沉淀二氧化硅的粒径，因为在溶液中正电荷起着吸附负电荷二氧化硅前体的作用，不同数量的正负电荷则决定了吸附硅前体的多少，从而间接决定了沉淀二氧化硅的粒径大小。

学者们通过寻找矿化能力优异的硅亲和多肽来实现体外矿化即仿生矿化，研究其可能的矿化机制，例如类弹性蛋白多肽（elastin-like polypeptides，ELPs）是一种衍生于天然弹性蛋白，可人工合成的多肽聚合物，研究发现ELPs[V9F-40]不含羟基或pI为5.52的带电残基，当它们处于有序结构时，可以仿生形成匀称、颗粒饱满的二氧化硅[26]，即溶液中正负电荷平衡的情形下，单独亲硅多肽的二级结构或者三级结构也能介导仿生矿化的形成。

ELPs是目前已知沉淀二氧化硅效率最高硅亲和多肽，完成仿生矿化平均反应时间为138 ps，是其他已报道多肽完成仿生硅化所需时间的1/6[26]。其中ELPs120最独特，可在pH 2.2～9.6的缓冲液中介导硅酸仿生硅化，其仿生硅化所需时间更短（约100 ps），仅为其他多肽的1/6。见图3：ELPs120在柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液pH 2.2～8.0，介导矿化产生二氧化硅的形貌图。除此之外，ELPs120还可在无磷酸根的盐酸-巴比妥钠缓冲液中形成高浓度的二氧化硅。随着pH降低，沉淀二氧化硅的能力显著下降，pH低于5.0时丧失沉淀二氧化硅的能力，说明pH对弹性蛋白样多肽硅沉淀能力有着显著的影响[27]。

图3 ELPs120在柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲液中仿生硅化所得二氧化硅SEM

4 生物矿化产物的应用价值

1804年，De Saussure首次报道了植物中生物矿化硅的存在，而仿生矿化产生的二氧化硅是仅次于生物成因碳酸钙的第二丰富的生物矿物。1999年，生物矿化首次以仿生矿化的形式出现在学术界，随着研究的不断进展，纳米二氧化硅作为仿生矿化的主要作用形式而受到了诸多关注。因其特定结构、表面性质和良好的生物相容性，在许多用于药物递送的稳定结构材料中，二氧化硅材料被广泛应用。

仿生矿化产物二氧化硅目前主要应用于药物输送、传感器应用，例如生物传感器、微阵列、微流体器件，或作为可重复使用的生物催化剂用于有机合成和有害化学物质的降解、修复等领域[28]。

植物体内，除了最普遍的硅化，另一类则为钙化，产物也称为植物钙。在实际应用中主要通过植物提取做补钙保健品，与动物钙和矿物钙相比，植物钙最有益于人体的吸收和利用，且残留物极少或几乎没有，不存在结石困扰，对胃功能基本不会造成损伤，也因其不伤胃而被广泛应用。

仿生矿化在生物材料制造的应用上，通过长链多肽仿生矿化生成磷酸二钙二水合物（dicalcium phosphate dihydrate，DCPD）涂层的选择性激光熔化镍钛（selective laser melting-fabricated，NiTiSLM-NiTi）合金，具有良好的耐蚀性、生物相容性和生物矿化性能，通过浸泡试验证明，这种涂层显著降低了复合材料在模拟体液中的降解速率，提高了复合材料表面的生物矿化性能[29]，提高了其应用价值。

生物矿化作为生物-物质组合仿生矿化技术也扩展到其他材料，包括复合材料、生物陶瓷、生物聚合物、肽、有机分子和其他金属材料，病毒、原核生物和真核生物-材料杂交种的制备和应用等方面，都显示出在仿生条件下生成其他复合材料的潜力[30]。另外在疫苗改进、细胞保护、能源生产、环境和生物医学治疗等领域显示出巨大的潜力[2]。

除此之外，生物矿化在环境污染的治理中有非常大的应用。为探索环境治理生态友好和经济上可行的策略，Ye等[31]采用筛选的粪便K2进行生物矿化和从废水中回收Cd2+，同时产生大量的分泌性有机生物矿物质（SOBs）作为生物吸附剂来解决镉污染废水不可生物降解和高毒性的难题。在环境污染治理策略中，Tan J等[17]利用微藻可将锶生物矿化，从而提出将微藻用于高放射性核素污染治理。

生物矿化的产物，在体内形成坚硬自身基础结构，在体外形成一些自然奇观。模仿体内外的矿化获得的纳米材料更是应用广泛，例如用于骨组织修复的骨替代材料，用于防腐合金复合材料，用于治理蓝藻水华的絮凝剂等。这些应用的需求逐渐增大，导致矿化产物的应用越来越广。对生物矿化产物的研究也具有明显的学科交叉与渗透特点，在生命科学与无机化学、生物物理学和材料科学上进行接洽，它为人工合成具有特定功能晶体材料和生物智能材料提供了一种新思想。

因此，挖掘沉淀能力强、效率高的硅亲和多肽将成为研究仿生矿化的一条新途径，为制备仿生二氧化硅颗粒提供潜在环保的绿色方法。这将有利于丰富硅亲和多肽的种类，进而为拓展硅亲和多肽的应用领域奠定基础。