Advanced Materials:师法自然-微生物介导的矿化及其在环境、工业和医学中的应用

生物矿化在自然界中无处不在,并与我们的生活息息相关。自然界的鬼斧神工总是能让我们惊叹不已:结构精美而异常坚硬的硅藻“玻璃”外壳,利用地磁场为趋磁细菌导航的磁小体,记录了蓝藻生命活动过程的“石中花”(叠层石)等等。即便是世间最优秀的能工巧匠,也难以完成这样精细、精致和精巧的杰作。

微生物界的矿化研究由来已久,关于微生物诱导矿化的机制研究一直是矿化领域的热点问题。在自然界中,微生物的矿化方式可根据形成部位分为细胞内矿化和细胞外矿化,但无论是哪种矿化方式,微生物均有一套精巧的控制系统以诱导矿物形成。完整的矿化过程包括矿化离子产生和富集,矿化起始以及矿物生长阶段。其中,后两个阶段可用经典成核理论和非经典成核理论解释。在每一个阶段蛋白质都发挥着举足轻重的作用:吸附各类矿物离子,促进矿物成核,甚至能够调控矿物尺寸、形状及功能。尤其是在细胞内矿化中,囊泡内形成高浓度的蛋白质分子,有的在结晶前防止矿物前体聚集,有的结晶时促进矿物前体转变为晶体,利用这些蛋白质可将矿物稳定在某一中间态,或许能得到特殊状态的矿物。此外,通过基因工程以及化学修饰的方法改造这些蛋白质,从而控制矿物的形态、大小,甚至能增加矿物的生物相容性以便应用于医学领域。

这些机制研究不仅可以帮助我们深刻理解自然界中生物矿物的形成机理,且对于矿化技术的转化研究具有重要意义。在电化学领域,微生物合成的矿物在能量集中、储存和运输方面有着优异的性能,因而得到诸多运用;在工业领域,细菌可对石材进行生物修复,实现混凝土裂纹的自修复,大大延长了混凝土的使用寿命。此外,内部有孔道的烟草花叶病毒可用于合成特殊材料,如包含蛋白质的无机纳米线;在环境治理领域,酵母可用于除去环境中可溶的放射性物核素以及有毒金属离子,例如酵母可吸附UO22+并将其转化为易于除去的沉淀物四方菱角铁矿;在医学领域,经过修饰的MTB能在外加磁场的作用下靶向输送药物到病变部位,甚至无需药物,联合磁热疗法就能杀死肿瘤细胞,因而MTB在医学方面也得到诸多关注。

微生物形成的矿物,其生物相容性好,且结构上高度有序,在运用上具有无可比拟的优势。因此,牛丽娜教授课题组受邀综述了细菌、真菌、病毒等微生物诱导矿化的相关进展,主要包括微生物矿化形成的机制以及微生物矿化在工业、环境和医学方面的应用,以助于未来微生物矿化的相关研究。笔者相信,自然是我们最好的老师,向自然界的微生物学习如何制造精妙的矿物并将它们用于生产、生活之中,是本篇综述的核心与亮点。相关论文在线发表于Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907833)。