基于多肽分子设计和性质调控的生物矿化界面作用机制研究

界面作用是生物矿化的核心问题。本项目根据蛋白质的两亲性和分子构象，拟设计三类酸性多肽分子-肽表面活性剂、β发夹肽和α螺旋肽，使用液相原子力显微镜研究它们对方解石(104)晶面生长及溶解的影响。项目旨在揭示有机基质的分子特性在界面调控作用中的地位，从分子及超分子水平上加深并拓宽对界面作用机制的认识和理解，指导无机材料在形态与功能上的仿生制备。主要研究内容包括：(1)固定极性氨基酸头基，通过疏水氨基酸的变化调节多肽表面活性剂的两亲性、界面活性，继而考察这些性质的变化对(104)晶面台阶生长动力学和界面能的影响；(2)通过组成氨基酸和溶液环境的变化，调控β发夹肽和α螺旋肽的二级结构以及酸性官能团在分子中的排布，进而研究这些变化对(104)晶面台阶生长方向、形貌的影响；(3)选择适宜的自组装肽，探索它们在方解石(104)晶面上的组装位置、过程和组装体结构，以及组装行为对晶面溶解(蚀坑)的影响。

多肽、蛋白质等生物有机分子与矿物之间的界面作用是生物矿化的核心问题。为了从分子水平上研究生物分子与矿物间的界面作用机制，本项目以方解石作为研究对象，通过液相原子力显微镜、透射电子显微镜等手段考察了氨基酸的分子结构和手性、多肽的分子两亲性和二级结构、酸性和碱性蛋白质对方解石(104)晶面溶解和生长以及碳酸钙晶体沉积的影响。主要结论如下：.（1）通过改变氨基酸的分子结构，可以调控方解石(104)面溶解蚀坑和生长丘的形貌。蚀坑和生长丘形貌与有机分子的空间结构密切相关，取决于分子中各个官能团的间距。通过修饰效果的对比可知，氨基和羧基都是活泼的官能团，均能与方解石钙原子发生键合并可参与界面氢键的生成。在方解石-氨基酸界面作用中，有机分子与无机表面间的结构匹配起主导作用，立体化学互补、分子手性以及扭折位的空间环境起次要作用，静电吸引所起的作用较小。.（2）随着疏水残基的疏水性增加，多肽表面活性剂对方解石(104)面螺旋生长丘形貌和速率的影响逐渐减弱。加入多肽Ac-G4D-OH 可以使生长丘负方向的台阶变弯曲，增大正、负方向的台阶生长速率。而同样浓度的Ac-A4D-OH 或Ac-V4D-OH 的加入对生长丘的形貌都没有明显的影响。.（3）螺旋肽（3E、3D）在水溶液中的α-helix 结构含量可以通过温度来调控。在较低的肽浓度下，3 ℃时螺旋肽的α-helix 含量较高，沉积的方解石晶体沿[010]（C-轴）方向拉长，表达了{110}晶面；25 ℃时，螺旋肽的α-helix 含量较低，对沉积的方解石不产生修饰。在较高的肽浓度下，螺旋肽在3 ℃和25 ℃时都方解石晶体的修饰是一致的，即矿物沿[010]（C-轴）方向拉长并表达了{110}晶面。这是由于在多肽浓度较高时，25 ℃下溶液中α-helix 结构的含量也随之升高，达到足够对碳酸钙晶体形貌进行修饰的量。.（4）白蛋白和溶菌酶是鸡蛋白中的两种主要蛋白质，与蛋壳乳头状层的形成密切相关。白蛋白对方解石(104)面螺旋生长丘的影响主要有两个方面，其一，有利于在台地表面形成无定形碳酸钙/白蛋白聚集体；其二，通过降低离子在台阶表面的能垒加速台阶的生长速率，这两种作用与白蛋白本身的性质（酸性和两亲性）密切相关。相反，溶菌酶是一种碱性蛋白，并不诱导无定碳酸钙的产生，但它可以与台阶边缘作用分切台阶，使台阶发生聚束并在较高浓度完全抑制台阶的生长。