单分子水平揭示氧化铝表面局部特性对二肽吸附平衡与动力学的调控机制及其在生命起源中的意义

为解决矿物表面异质性如何影响生物分子吸附的关键问题，研究人员开展了单分子力谱研究，揭示热退火处理氧化铝(T-AlOx)相比原生氧化铝(AlOx)具有更有序表面结构、正电荷特性及疏水微域，导致二肽Glu-Ala吸附自由能ΔadsG°更低(-9.03 kBT)和解离速率koff更慢(376.3 s-1)，表明表面化学特性精准调控肽-矿物相互作用，为肽功能化材料设计和生命起源表面介导过程提供新见解。

　　

在生命起源和材料科学领域，理解生物分子与矿物表面的相互作用机制始终是一个核心挑战。特别是短肽与金属氧化物的结合过程，不仅影响着生物矿化、细胞-材料界面调控等生物医学应用，更与地球早期生命起源过程中肽键的形成密切相关。虽然已有研究表明氨基酸和肽段能结合多种金属氧化物，但纳米尺度的局部表面特性如何影响这些相互作用，尤其是真实环境中存在的非理想、异质化表面的作用机制，仍缺乏深入理解。

传统的模型表面研究往往采用高度有序的单晶氧化物，但这些理想表面难以反映自然环境中真实表面的复杂特性——包括多晶相共存、取向多样性、结构缺陷和不规则性等。这些异质特征会显著影响表面在水环境中的行为，特别是与生物分子的相互作用过程。为此，法国索邦大学的研究团队在《Applied Soil Ecology》上发表论文，创新性地采用生长在多晶铝金属上的氧化物作为真实表面模型，通过单分子力谱技术揭示了局部表面特性对二肽吸附行为的精细调控机制。

研究人员主要运用原子力显微镜(AFM)技术体系：采用化学力显微镜量化局部疏水性，胶体探针技术测量表面电荷分布，单分子力谱(SMFS)技术探测二肽Glu-Ala与表面的相互作用动力学。通过X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学组成，衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和和频产生(SFG)光谱表征表面基团结构和界面水分子组织状态。

表面特性表征结果显示：热退火处理的T-AlOx表面形成更厚的氧化铝层，O/Al^III摩尔比降至1.5，接近Al₂O₃化学计量比，而原生AlOx表面该比值为2.2，更类似铝氧羟基化合物(AlOOH)。SFG光谱揭示T-AlOx表面具有高度有序的羟基分布和界面水分子组织，而AlOx表面羟基排列无序。表面电荷测量发现T-AlOx在pH 6.8时呈现正电性(平均表面电位+12.99 mV)，IEP>7，而AlOx为负电性(-21.56 mV)。化学力显微镜首次在T-AlOx表面检测到随机分布的疏水微域，而AlOx表面几乎无疏水区域。

单分子力谱研究获得关键发现：二肽Glu-Ala与T-AlOx的相互作用更强，吸附自由能Δ_adsG°为-9.03 k_BT，低于AlOx的-7.14 k_BT。动力学参数显示更大差异：T-AlOx的解离速率常数k_off为376.3 s^-1，比AlOx的4209.6 s^-1低一个数量级，表明肽在T-AlOx上吸附更稳定。通过Friddle-Noy-De Yoreo(FNDY)和Bell-Evans(BE)模型拟合力谱数据，测得T-AlOx的能量屏障宽度x_t=0.99 ?，大于AlOx的0.39 ?，表明结合态与过渡态间距离更长。

研究结论强调表面化学特性对肽-矿物相互作用的决定性影响：热退火处理使铝表面形成更有序、化学计量更接近Al₂O₃的氧化物层，产生表面电荷异质性和疏水微域，这些纳米尺度特征通过范德华力、氢键和静电作用的协同效应，显著增强肽吸附强度并延长吸附寿命。这一发现对预生物化学具有重要意义——表面吸附需要平衡"太强导致不可逆结合"与"太弱无法保留分子进行后续反应"的矛盾，而研究显示的适中吸附自由能(-7至-9 k_BT)正符合这一要求。

该研究不仅提供了肽-矿物相互作用分子机制的新见解，还建立了研究真实异质表面的方法框架，为理性设计肽功能化材料提供了理论基础，同时对地球早期生命起源过程中矿物表面介导的肽形成和组装过程提出了机制性解释。