植物生物礦化研究進展綜述

陳禮麗 徐意誠 溫海虹

（溫州大學生命與環(huán)境科學學院，浙江溫州 325035）

生物礦化（biomineralization）是生物體產(chǎn)生具有多功能特性礦物質的基本生物過程。生物體利用礦物質硬化其組織并為其提供堅硬物理支持，是自然界的一種普遍現(xiàn)象，廣泛存在于細菌、硅藻、海綿、貝殼以及包括人類在內的高級哺乳動物中[1-3]。在生命活動中，生物有機體精確控制或代謝產(chǎn)物誘導無機物質的分異、遷移、富集和轉化，并通過生物大分子的調控將溶液中的離子轉變?yōu)闊o機固相礦物來實現(xiàn)生物礦化過程，整個過程對于動物的骨骼、牙齒等生物組織的形成發(fā)揮了至關重要的作用，也間接形成了一些具有奇特形態(tài)的自然奇觀，如珊瑚、珍珠等[4]。該文主要介紹植物生物礦化的研究現(xiàn)狀以及生物礦化產(chǎn)物對人類的應用價值。

1 高等植物的生物礦化

植物界中廣泛存在生物礦化現(xiàn)象，植物生命有機體的生物礦化產(chǎn)物（即生物礦物）的形成是新陳代謝作用的結果[5]。目前，在植物中主要有硅化礦物和鈣化礦物2種。

禾本科植物細胞多糖等可促使細胞從自然環(huán)境中選擇性地吸收可溶性硅，在植物學上被稱為“硅酸植物”，吸收的硅酸主要以硅酸鈣的形態(tài)在葉片、葉鞘、花序等器官中，并在某些特定細胞的細胞壁上沉積，形成一層堅硬的外殼，在植物學中被譽為“植物硅酸體（silica body）”，也被稱為植物蛋白石[6-7]，植物蛋白石如同動物的骨骼，對植物體起支撐作用，而將沉積有硅酸的細胞稱為硅化細胞。在水稻葉片中聚合形成的各種無定型生物硅的微觀結構即植物蛋白石，采用高分辨率掃描電子顯微鏡（SEM）分析發(fā)現(xiàn)其是由二氧化硅納米顆粒組成的。

光是調節(jié)鈣吸收的最重要的環(huán)境信號，與植物的生長和形態(tài)有關。藍光和紅光受體的作用會導致膜性質、基因表達以及與鈣鹽相關的蛋白質和多糖的表達發(fā)生變化，進而形成作為混合材料的生物礦物。例如對香蕉植物的生物礦化系統(tǒng)的研究表明，在密閉空間（晶體室）中，晶體室內部的自組裝纖維—水草酸鈣（calcium oxalate monohydrate，COM）針狀礦物為生物礦物的形成提供了模板[8]。

草酸鈣晶體在植物界中分布廣泛，主要沉積于維管束植物的葉片、莖、種子、苞片、花藥、根等器官的晶異細胞中，植物體內草酸鈣晶體形成的過程，是內源合成的草酸和外源吸收的鈣離子共同反應的產(chǎn)物，這一過程并不是簡單的化學沉淀過程，而是受嚴格的遺傳調控。其中鈣結合蛋白（calcium bindingprotein，CBP）起著至關重要的調控作用，這類蛋白主要由存在于細胞內質網(wǎng)中的鈣網(wǎng)蛋白（calreticulin）和收鈣素（calsequestrinlike）組成。草酸鈣晶體可以調節(jié)細胞內過高的Ca2+的濃度，并減少草酸對細胞的危害；平衡調節(jié)其他離子，如Na+和K+；是自我保護以防御昆蟲捕食的機制。

2 藻類植物的生物礦化

硅藻是一種真核微藻，能產(chǎn)生由二氧化硅構成的特定結構的細胞壁，其結構見圖1。圖A為硅藻細胞壁的結構模式圖，上下2層堅硬的二氧化硅殼組成完整的細胞壁，硅殼也是其最典型的分類特征；圖B為不同類型的硅藻細胞壁的電子顯微鏡圖；一個顯著特征是其硅基細胞壁呈現(xiàn)出復雜的多尺度圖案，結構元素從微米到幾十納米不等[9-11]。

圖1 硅藻結構

1999年Nils Kr?ger等[14]發(fā)現(xiàn)了硅藻中存在硅烷多肽（Silaffin），首次發(fā)現(xiàn)了硅藻體內介導生物礦化的物質硅烷多肽，發(fā)現(xiàn)了在中性環(huán)境中生物礦化的代表性硅親和多肽R5，揭開了硅藻可形成硅化細胞壁的原因。2017年在長囊水云（Ectocarpus siliculosus）中發(fā)現(xiàn)了在酸性環(huán)境下具有較強的礦化能力的硅親和多肽EctP1[15]。Jobichen等[16]通過冷凍電鏡對細菌鐵蛋白納米籠結構的觀察，證明了鐵蛋白參與細菌體內的生物礦化，為硅親和多肽介導生物礦化提供了試驗依據(jù)。

Tan等[17]研究小球藻（Chlorella）的生物礦化時發(fā)現(xiàn)，蒙脫石（montmorillonite，MMT）可以促進光合作用和尿素水解生成碳酸鹽，這可能是由于蒙脫石具有更高的pH緩沖能力以及小球藻-蒙脫石結合過程中增加的負電荷，二者之間的相互作用改善了蒙脫石與Pb（II）之間的離子交換，從而促進了小球藻的生物礦化。

除了pH和負電荷，金屬離子也是影響藻類礦化的因素之一，例如藻類細胞間文石和方解石即碳酸鈣礦物的形成。Magnabosco等[18-19]通過評估鈣化生物中的礦物生長的標的物——鈣黃綠素（calcein）對方解石和文石結構的影響，證實在Mg2+存在的條件下，Mg2+抑制文石的形成，卻促進鎂方解石的形成。

氫氣（H2）以其高轉化效率、環(huán)境友好和高能量被認為是一種很有前途的化石燃料替代品[20]。在自然界中，光合微生物，尤其是綠藻，可以通過與光合機制耦合的氫化酶（一種催化分子氫可逆氧化的酶）使水光解生成H2，但是這種機制產(chǎn)生的氫氣量很有限，無法滿足廣大的實際應用需求。為了擴大生產(chǎn)，采用仿生礦化的手段硅化誘導綠藻形成聚集體，在自然好氧條件下能實現(xiàn)可持續(xù)的光生物制氫[21]，這種硅化誘導藻類制氫的方式極有可能成為尋求清潔可再生能源的新途徑。

3 植物生物礦化機理及仿生礦化

目前已知在中性環(huán)境中仿生礦化二氧化硅能力最強的是硅藻的硅烷多肽，硅烷多肽sil1p多肽主要由7條短肽組成，分別命名為R1～R7，其中最典型的是R5，沉淀二氧化硅的能力最強，形成的二氧化硅顆粒勻稱。sil1p多肽序列和沉淀產(chǎn)物二氧化硅見圖2：圖A為硅烷多肽sil1p的組成，圖B為R5沉淀二氧化硅前體產(chǎn)生的二氧化硅形貌，但這種溫和條件下高效沉淀二氧化硅的具體機制還有待進一步研究[14，21]。

圖2 多肽序列和沉淀產(chǎn)物二氧化硅

近年來，人們對硅藻在環(huán)境條件下二氧化硅形態(tài)發(fā)生的分子機制有了深入了解。這些微小的藻類依靠細胞內的生物礦化機制，選擇性吸收硅，由硅藻細胞壁蛋白介導生成二氧化硅殼[22]。硅藻生物硅殼的形成是一個高度復雜的過程，對硅藻細胞壁蛋白進行生化分析，表明二氧化硅生物礦物的形成需要獨特的蛋白質結構和特性[23]，在自組裝生物硅形成模板的幫助下發(fā)生礦化[24]。

對R5多肽進行三號位賴氨酸甲基化（K3）和四號位賴氨酸甲基化（K4）的翻譯后修飾，有助于重新定向多肽與正硅酸鹽的結合，可以實現(xiàn)控制二氧化硅沉淀尺寸。這項研究發(fā)現(xiàn)了R5賴氨酸側鏈甲基化對二氧化硅顆粒形成的特定作用[25]，多肽所帶電荷的正負性影響沉淀二氧化硅的粒徑，因為在溶液中正電荷起著吸附負電荷二氧化硅前體的作用，不同數(shù)量的正負電荷則決定了吸附硅前體的多少，從而間接決定了沉淀二氧化硅的粒徑大小。

學者們通過尋找礦化能力優(yōu)異的硅親和多肽來實現(xiàn)體外礦化即仿生礦化，研究其可能的礦化機制，例如類彈性蛋白多肽（elastin-like polypeptides，ELPs）是一種衍生于天然彈性蛋白，可人工合成的多肽聚合物，研究發(fā)現(xiàn)ELPs[V9F-40]不含羥基或pI為5.52的帶電殘基，當它們處于有序結構時，可以仿生形成勻稱、顆粒飽滿的二氧化硅[26]，即溶液中正負電荷平衡的情形下，單獨親硅多肽的二級結構或者三級結構也能介導仿生礦化的形成。

ELPs是目前已知沉淀二氧化硅效率最高硅親和多肽，完成仿生礦化平均反應時間為138 ps，是其他已報道多肽完成仿生硅化所需時間的1/6[26]。其中ELPs120最獨特，可在pH 2.2～9.6的緩沖液中介導硅酸仿生硅化，其仿生硅化所需時間更短（約100 ps），僅為其他多肽的1/6。見圖3：ELPs120在檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液pH 2.2～8.0，介導礦化產(chǎn)生二氧化硅的形貌圖。除此之外，ELPs120還可在無磷酸根的鹽酸-巴比妥鈉緩沖液中形成高濃度的二氧化硅。隨著pH降低，沉淀二氧化硅的能力顯著下降，pH低于5.0時喪失沉淀二氧化硅的能力，說明pH對彈性蛋白樣多肽硅沉淀能力有著顯著的影響[27]。

圖3 ELPs120在檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖液中仿生硅化所得二氧化硅SEM

4 生物礦化產(chǎn)物的應用價值

1804年，De Saussure首次報道了植物中生物礦化硅的存在，而仿生礦化產(chǎn)生的二氧化硅是僅次于生物成因碳酸鈣的第二豐富的生物礦物。1999年，生物礦化首次以仿生礦化的形式出現(xiàn)在學術界，隨著研究的不斷進展，納米二氧化硅作為仿生礦化的主要作用形式而受到了諸多關注。因其特定結構、表面性質和良好的生物相容性，在許多用于藥物遞送的穩(wěn)定結構材料中，二氧化硅材料被廣泛應用。

仿生礦化產(chǎn)物二氧化硅目前主要應用于藥物輸送、傳感器應用，例如生物傳感器、微陣列、微流體器件，或作為可重復使用的生物催化劑用于有機合成和有害化學物質的降解、修復等領域[28]。

植物體內，除了最普遍的硅化，另一類則為鈣化，產(chǎn)物也稱為植物鈣。在實際應用中主要通過植物提取做補鈣保健品，與動物鈣和礦物鈣相比，植物鈣最有益于人體的吸收和利用，且殘留物極少或幾乎沒有，不存在結石困擾，對胃功能基本不會造成損傷，也因其不傷胃而被廣泛應用。

仿生礦化在生物材料制造的應用上，通過長鏈多肽仿生礦化生成磷酸二鈣二水合物（dicalcium phosphate dihydrate，DCPD）涂層的選擇性激光熔化鎳鈦（selective laser melting-fabricated，NiTiSLM-NiTi）合金，具有良好的耐蝕性、生物相容性和生物礦化性能，通過浸泡試驗證明，這種涂層顯著降低了復合材料在模擬體液中的降解速率，提高了復合材料表面的生物礦化性能[29]，提高了其應用價值。

生物礦化作為生物-物質組合仿生礦化技術也擴展到其他材料，包括復合材料、生物陶瓷、生物聚合物、肽、有機分子和其他金屬材料，病毒、原核生物和真核生物-材料雜交種的制備和應用等方面，都顯示出在仿生條件下生成其他復合材料的潛力[30]。另外在疫苗改進、細胞保護、能源生產(chǎn)、環(huán)境和生物醫(yī)學治療等領域顯示出巨大的潛力[2]。

除此之外，生物礦化在環(huán)境污染的治理中有非常大的應用。為探索環(huán)境治理生態(tài)友好和經(jīng)濟上可行的策略，Ye等[31]采用篩選的糞便K2進行生物礦化和從廢水中回收Cd2+，同時產(chǎn)生大量的分泌性有機生物礦物質（SOBs）作為生物吸附劑來解決鎘污染廢水不可生物降解和高毒性的難題。在環(huán)境污染治理策略中，Tan J等[17]利用微藻可將鍶生物礦化，從而提出將微藻用于高放射性核素污染治理。

生物礦化的產(chǎn)物，在體內形成堅硬自身基礎結構，在體外形成一些自然奇觀。模仿體內外的礦化獲得的納米材料更是應用廣泛，例如用于骨組織修復的骨替代材料，用于防腐合金復合材料，用于治理藍藻水華的絮凝劑等。這些應用的需求逐漸增大，導致礦化產(chǎn)物的應用越來越廣。對生物礦化產(chǎn)物的研究也具有明顯的學科交叉與滲透特點，在生命科學與無機化學、生物物理學和材料科學上進行接洽，它為人工合成具有特定功能晶體材料和生物智能材料提供了一種新思想。

因此，挖掘沉淀能力強、效率高的硅親和多肽將成為研究仿生礦化的一條新途徑，為制備仿生二氧化硅顆粒提供潛在環(huán)保的綠色方法。這將有利于豐富硅親和多肽的種類，進而為拓展硅親和多肽的應用領域奠定基礎。

5 結語

植物生命有機體的生物礦化產(chǎn)物是新陳代謝作用的結果。礦化產(chǎn)物的性能優(yōu)異，對環(huán)境友好，應用范圍廣泛。因此，研究植物礦化可以幫助人們在生產(chǎn)性能優(yōu)異的納米二氧化硅材料中提供科學的方法，對探索生物礦化產(chǎn)物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境治理和納米材料生產(chǎn)上更加廣泛的應用具有重要的意義。