关于化学官能团对生物硅化过程影响的深刻见解

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Energetic insights into the effects of chemical functionalities on biosilicification

硅藻生物硅化合中硅-有机质（Si-OMs）的化学官能团通过调控硅酸局部过饱和度（动力学驱动）和界面能势垒（热力学修饰）协同控制二氧化硅核化过程，合成聚合物模拟证实胺基的双功能机制主导高效硅化合，羧基则通过提高界面能形成更大颗粒。

　　

范晓翠|邹莉|王清宇|刘斌|翟航

山东协和大学工程学院，济南 250109，中国

摘要

硅藻生物硅化的显著效率在于，硅在温和的水性条件下形成，这一过程由与生物硅相关的有机物（Si-OMs）调控。然而，Si-OMs的化学功能如何控制这一过程的基本热力学和动力学原理仍知之甚少。在这里，我们采用仿生方法，使用合成聚合物和表面改性来揭示关键官能团（胺基、羟基、羧基、酰胺基）在硅化中的作用。我们证明了胺基具有双重功能：它们通过静电作用浓缩硅酸盐前体，提高局部过饱和度，从而作为动力学驱动因素；同时，它们融入成核相，形成稳定的有机-无机杂化物，显著降低SiO₂成核的界面能垒。相比之下，羧基修饰的表面会增加界面能，导致生成的硅颗粒数量减少但体积增大，这表明存在不同的热力学模板路径。直接的纳米力学测量证实，更强的SiO₂-表面结合与更低的界面能和不同的成核结果相关。通过量化特定化学成分如何调控经典的成核参数（过饱和度σ和界面能α），本研究为生物硅化提供了一个统一的热力学和动力学框架。我们的发现表明，Si-OMs的有效性源于它们能够解耦并选择性调节这些基本驱动因素，为控制合成和生物系统中的矿化过程提供了通用设计原则。

引言

硅藻是一种大型非钙化海洋微生物，占海洋初级生产力的近40% [1]，[2]。与其他浮游植物不同，它们利用单硅酸（Si(OH)₄ 构建生物硅细胞壁（壳层），这一过程对全球碳和硅（Si）循环至关重要 [3]，[4]。在细胞分裂过程中，Si(OH)₄ 分子通过硅酸转运蛋白从海水中被吸收 [5]。生物硅的合成主要发生在硅沉积囊泡内，这些囊泡内部硅浓度高达约150 mM [6]，[7]，远高于SiO₂ 自发聚合所需的约2 mM阈值 [8]。提取实验和直接核磁共振测量表明，细胞内的硅以可溶的、非共价结合的Si(OH)₄ 形式存在，与有机物（OM）相关联，而不是以SiO₂ 沉淀物的形式 [9]，[10]，[11]。这一证据表明存在硅酸-有机物复合物（[Si(OH)₄]···OM），它们稳定了Si(OH)₄ 分子。在积累之后，硅沉积囊泡内开始发生沉淀和生物硅的形成 [12]。体外研究表明，由硅藻细胞壁中的有机成分诱导的SiO₂ 沉淀还可以控制其纳米结构 [13]，[14]，[15]。因此，阐明Si-OMs的化学性质如何与其双重功能（稳定Si(OH)₄ 和促进SiO₂ 形成）相关联，对于揭示生物硅形成的分子机制至关重要。

到目前为止，尽管已经从硅藻细胞壁中分离出多种有机成分，但主要的Si-OMs可以分为两类：蛋白质和长链多胺（LCPAs）[16]，[17]，[18]。LCPAs 是主要的Si-OMs类别，由重复的N-甲基丙胺单元组成，这些单元根据硅藻种类不同，连接到腐胺、亚精胺或精胺骨架上 [17]。在含有多价阴离子（如磷酸盐或硫酸盐）的缓冲液中，LCPAs 可以迅速诱导Si(OH)₄ 含溶液中的SiO₂ 沉淀，生成直径在100到1000纳米之间的球形颗粒 [17]。与LCPAs不同，并非所有从硅藻细胞壁中分离出的蛋白质都能直接调控生物硅化。例如，免疫电子显微镜研究表明，像pleuralins和frustulins这样的蛋白质只在生物硅外泌后才会与生物硅结合，表明它们不直接参与SiO₂ 的形成 [19]，[20]。然而，天然存在的silaffins对SiO₂ 沉淀有显著影响。最初从 中鉴定出的silaffins是富含赖氨酸的肽，含有磷酸化的丝氨酸 [18]。将这些silaffins在含Si(OH)₄ 的溶液中孵育会迅速诱导SiO₂ 沉淀，生成的颗粒直径在100到700纳米之间，具体取决于所使用的silaffin种类 [18]。有趣的是，来自 的silaffins在氨基酸组成上与 的silaffins相似 [21]，但与 的silaffins不同， 的silaffins单独存在时不能诱导SiO₂ 形成；只有当同时存在silaffins和LCPAs时，才会生成直径为50–900纳米的球形颗粒 [21]。尽管这两种硅藻之间的差异表明silaffins和LCPAs的化学和功能分析可能具有物种特异性，因为每种硅藻都拥有独特的生物硅相关有机分子，但这些结果强调了Si-OMs上化学基团之间的协同作用对控制生物硅形成至关重要。此外，以往关于silaffins和LCPAs的研究主要集中在从硅化生物中提取的大分子的组成和结构以及由此产生的SiO₂ 形态上 [22]，[23]，[24]，导致生物硅化的动力学和热力学驱动因素仍不甚明了。一个基本问题仍然存在：Si-OMs是通过降低动力学障碍、热力学障碍还是两者兼而有之来诱导生物硅形成的？回答这些问题需要从现象学观察转向严格的热力学和动力学分析。

为了解决这些空白，我们建立了一种还原主义的仿生方法，以分离和量化与天然Si-OMs相关的关键化学功能对SiO₂ 成核和早期生长的影响。我们使用了一系列合成聚合物，包括聚(烯丙胺盐酸盐)（PAH）、聚(丙烯酸)（PAA）、聚(乙烯醇)（PVA）和聚(丙烯酰胺)（PAM）以及共聚物（PAMcoAA），分别作为胺基（NH₂）、羧基（COOH）、羟基（OH）和酰胺基（CONH₂）的替代物。它们的活性通过与从硅藻 中提取的氟化铵（NH₄F）-可溶性成分（ASC）进行对比来评估。通过结合批量溶液研究、实时凝胶化监测以及使用功能化基底和原子力显微镜（AFM）的表面敏感研究，我们将生物硅化过程分解为其动力学和热力学组成部分。整个工作特别测试了这样一个假设：化学功能通过两种主要且常常相互关联的机制来调控SiO₂ 成核：（1）调节硅酸的局部过饱和度（σ）（例如，通过静电浓缩前体），从而提供加速成核动力学的热力学驱动力；（2）通过与新生硅相的特定相互作用改变成核的界面自由能（α）。我们证明了胺基功能表现出独特的双重机制，有效地浓缩硅酸盐前体并融入成核相，显著降低成核障碍。相比之下，羧基主要通过调节表面界面能来影响这一过程。通过应用经典成核理论和动态力谱（DFS）进行间接界面能测量，我们提供了一个定量的、机制性的蓝图，将特定的化学基团与不同的成核参数联系起来。我们的发现为硅藻生物硅化的化学逻辑提供了基本见解，并为合理、受生物启发的硅材料合成建立了明确的设计原则。

试剂

硅酸钠溶液（(NaOH)_x(Na₂SiO₃)_y?zH₂O，27 wt% SiO₂，Sigma-Aldrich）作为生物硅化的硅源，因其与天然可溶性硅形式的相关性而被选中 [25]。功能化聚合物包括聚(烯丙胺盐酸盐）、聚(丙烯酰胺)、聚(丙烯酸)（钠盐）、聚(乙烯醇)等，分别作为胺基（NH₂）、羧基（COOH）和酰胺基（CONH₂）的替代物。这些聚合物的活性通过与从硅藻 中提取的氟化铵（NH₄F）-可溶性成分（ASC）进行对比来评估。

用于探究Si-OM相关功能团诱导的生物硅化的模型系统

在硅藻中模板生物硅形成的有机基质（Si-OMs）完全整合到纳米结构的硅中，因此需要完全溶解无机支架才能将其分离（图1A1）。为了在保持有机完整性的同时实现这一点，使用pH 4.0的NH₄F溶液溶解了来自Thalassiosira pseudonana 的纯化生物硅（图1A2）。这种方法已被证明可以在温和条件下快速溶解硅，同时将降解降到最低。

结论

在这项研究中，我们从热力学和动力学的角度深入分析了化学功能如何调控硅核化，为硅藻生物硅化建立了机制性蓝图。通过使用合成聚合物和化学定义的表面进行仿生研究，我们证明了胺基通过双重机制赋予了独特的效率：它们通过静电作用浓缩硅酸盐阴离子，提高局部过饱和度（σ），从而作为动力学促进因素；

CRediT作者贡献声明

刘斌：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。翟航：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，软件使用，资源管理，项目管理，方法学，研究设计，资金获取，数据分析，概念构思。邹莉：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究设计，概念构思。王清宇：撰写 – 审稿与编辑，研究设计，概念构思。范晓翠：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中央高校基本研究基金（编号：SWU-KR24036）的支持。