《International Journal of Biological Macromolecules》：Domain-specific control of silica aggregation by peptides from sorghum Siliplant1
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摘要在Sorghum bicolor叶片表皮中，硅细胞的生物硅化过程受Siliplant1蛋白的调控，该蛋白包含重复的A、B和C结构域。虽然富含赖氨酸的B结构域能够引发硅酸的缩合，但这些辅助结构域在指导硅酸缩合和形态形成方面的具体作用尚未明确。通过使用纳米傅里叶变换红外光谱（na
摘要
在Sorghum bicolor叶片表皮中，硅细胞的生物硅化过程受Siliplant1蛋白的调控，该蛋白包含重复的A、B和C结构域。虽然富含赖氨酸的B结构域能够引发硅酸的缩合，但这些辅助结构域在指导硅酸缩合和形态形成方面的具体作用尚未明确。通过使用纳米傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）等技术，我们发现只有当A结构域或C结构域与B结构域共价结合（形成Pep-AB或Pep-BC）时，才能促进硅酸的聚合并控制其聚集行为。Pep-BC的高羟基密度相比于Pep-AB能够更有效地促进硅酸的缩合。关键的转变是从随机卷曲结构转变为β-折叠结构，这一转变是通过脯氨酸突变实现的，从而促使形成了微米级的硅酸聚集体。我们的研究结果表明，硅酸的聚集过程是由带有羟基残基的β-折叠骨架驱动的。我们提出了一种双模式催化机制：硅醇与赖氨酸的相互作用启动了缩合反应，而羟基与胺基之间的协同稳定作用则促进了迅速的聚集。这项研究为蛋白质引导的生物矿物化过程提供了基础见解，并为功能性硅纳米材料的生物启发式合成建立了新的设计原则。
引言
硅是地壳中常见的元素，主要以硅酸盐离子和二氧化硅（水合的非晶态硅氧化物）的形式存在。硅酸盐土壤会侵蚀并释放单硅酸[Si(OH)4到土壤溶液中，植物根系可以吸收这些单硅酸。在植物体内，单硅酸会矿化为生物二氧化硅[1]。硅和单硅酸的可用性增强了植物对各种非生物和生物胁迫的耐受性，尽管其具体机制尚未完全明确[2],[3],[4]。甚至关于硅的运输和沉积化学过程也尚未完全阐明。水稻、小麦和高粱等作物可以在其汁液中携带过饱和的硅酸溶液，并在组织干重中积累高达10%的二氧化硅[5],[6],[7]。然而，过饱和的硅酸溶液并不会随机沉积，而是倾向于沉积在未发生硅化的细胞附近[7],[8]，这表明沉积过程受到生物调控。植物二氧化硅的形成涉及细胞壁聚合物（如木质素[9]和钙质[10]）以及蛋白质的活性[11]。尽管植物硅化作用已被广泛认识，但其分子调控机制仍然很大程度上尚未阐明，这可能与植物细胞壁的复杂组成和结构有关[12]。
含有大量胺基残基的蛋白质能够催化硅酸的缩合生成生物二氧化硅。Shimizu等人[13]发现了在海绵中催化二氧化硅形成的硅酸盐酶，而Kr?ger等人[14]发现了在硅藻中沉积二氧化硅的多电荷肽类物质——硅藻蛋白（silaffins）。在植物中，二氧化硅的矿化过程由Siliplant1蛋白负责，该蛋白也含有大量的胺基残基（如赖氨酸[11]）。Siliplant1蛋白是在高粱表皮的硅细胞中首次被发现的（图1）。这种蛋白被运输到细胞壁中，与过饱和的硅酸溶液相互作用，并在数小时内催化其缩合成致密的二氧化硅壁[11],[15]。随着细胞壁的增厚，细胞质逐渐被限制在更小的空间内，最终通过程序性细胞死亡而被排出[16]。
Siliplant1蛋白包含七个重复序列（R1–R7），分别由A结构域、B结构域和C结构域组成（图1B, C）。B结构域在所有七个重复序列中都存在，它富含脯氨酸、赖氨酸和谷氨酸，在生理pH值下带有正电荷。研究人员使用源自B结构域的肽来研究硅酸的沉淀过程。这种肽可以根据硅酸与肽的比例不同，促进二氧化硅纳米颗粒或凝胶的形成[17]。磷酸根离子有助于硅酸与赖氨酸残基的结合[18]。当将赖氨酸残基突变为丙氨酸时，不会形成沉淀物[11]，这突显了带正电的赖氨酸残基在硅酸缩合反应中的关键作用。
在这项研究中，我们探讨了其他Siliplant1结构域的功能。A结构域在所有重复序列中都位于B结构域之前，但在R1和R3中被截断，它富含组氨酸和天冬氨酸，在生理pH值下带有负电荷。C结构域位于B结构域之后，在R1、R3、R5、R6和R7中存在，富含脯氨酸、苏氨酸和酪氨酸，并含有六个羟基团（图1B）。我们发现Pep-B对于Siliplant1的催化活性和二氧化硅纳米颗粒的形成是必需的，而其后续的生长和聚集过程受到肽中羟基残基和二级结构的影响。
章节片段
二氧化硅沉淀
我们从A结构域（DHFKDHDYHHFFDHF，分子量=2044）、B结构域（HKKPVPPKPKPEPKPQ，分子量=1832 Da，之前称为Peptide-1 [11]、Slp1 [18]和Pep-B [17]）以及C结构域（YHPPTPTYGSPTPIYHPPA，分子量=2093 Da）中提取了肽段。为了表示它们在Siliplant1中的来源结构域，我们分别将这些肽段命名为Pep-A、Pep-B和Pep-C（图1，表1）。将A结构域和B结构域的肽段组合（FDKKHMVDHFHKDHDYHHFLDHFHKKPVPPKPKPEPKPQ，分子量=4847 Da）称为Pep-AB，将...
结果与讨论
为了研究这三个Siliplant1结构域对二氧化硅形成的影响，我们观察了在A结构域和C结构域肽段存在下硅酸形成的沉淀物，并将其与之前称为Pep-B [17]、Peptide-1 [11]和Slp1-silica [18]的B结构域肽段进行了比较。从现在开始，我们将A结构域、B结构域和C结构域的肽段分别称为Pep-A、Pep-B和Pep-C（图1，表1）。
结论
我们证明了Siliplant1的B结构域对于蛋白质的活性至关重要，它催化硅酸缩合生成二氧化硅。进一步研究表明，只有当A结构域和C结构域与B结构域共价结合时，才能加速二氧化硅颗粒的聚集。实验结果表明，与Pep-AB相比，Pep-BC能够更有效地促进二氧化硅的缩合，这表明-OH功能基团具有催化作用。
硅酸通过...
CRediT作者贡献声明
Vincent Otieno Ayieko: 数据可视化、方法论设计、实验调查、数据分析、撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。Mnar Ghrayeb: 数据可视化、方法论设计、数据分析、撰写 – 审稿与编辑。Alexander Veber: 数据可视化、实验监督、方法论指导、资金申请、数据分析、撰写 – 审稿与编辑。Janina Kneipp: 实验监督、资源协调、方法论设计、撰写 – 审稿与编辑。Liraz Chai: 实验监督,
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢本古里安大学的Raz Zarivach在肽结构研究方面的有益讨论。同时，我们也感谢柏林赫尔姆霍兹材料与能源中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie）在IRIS光束线上提供的同步辐射时间（提案编号242-12637），这使我们能够进行纳米红外成像和光谱实验。作者们还感谢德国联邦教育与研究部（German Federal Ministry of Education and Research，简称BMBF）在项目05K19KH1（SyMS）下的资助。V. O. A. 对...
Vincent Otieno Ayieko|Mnar Ghrayeb|Alexander Veber|Janina Kneipp|Liraz Chai|Rivka Elbaum
