科创中国

    然而，通常是更便宜的元件产生功能。

    铁对于血液的产生至关重要，而锌对于稳定蛋白质结构至关重要。

    相比之下，钒在生物学中并不常见。

    Population-specific neuromodulation prolongs therapeutic benefits of deep brain stimulation (science.org)海洋贻贝使用钒和铁来构建蛋白质基粘合剂。

    还提供了将这些组件组装成高性能材料的机器的更清晰图片。

    对于贻贝来说，生存不是在岸边度假。

    冲击波、捕食鸟类和交配斗争是不断的。

    面对这些挑战，许多贝类物种，通过粘在岩石上和彼此之间找到安全。

     同时开发了可在潮湿环境中使用的粘合剂。

    贻贝粘合装置是基于蛋白质的，由粘在表面的胶块（或圆盘）和将这种粘合剂连接到动物组织的线组成。

     这两个技巧将这些蛋白质转化为粘合剂。

    蛋白质经过翻译后修饰以生成儿茶酚侧链。

    这些 3,4-二羟基苯丙氨酸 (DOPA) 残留物，通过几种类型的化学反应和键产生交联。

    此外，这些多巴蛋白与金属离子结合。

    尚不清楚的是，这种金属-蛋白质系统是如何形成的，以及有机-无机相互作用如何影响整体特性。

    考虑从五金店购买双筒环氧树脂注射器， 这些成分仅在需要粘合之前混合在一起。

    同样，贻贝不能只产生一种含有金属的蛋白质供以后使用。

    由此产生的组合，将是一个交联的、硬化的烂摊子。

    必须有一个交付和组装系统，使组件保持分离，直到需要粘合为止。

    贻贝如何完成材料工程的这一壮举？

    这个问题提出了模仿基于蛋白质的蜘蛛网的挑战。

    人们可以制作丝蛋白溶液，但无法达到网所显示的显着机械性能。

    蜘蛛有一个复杂的喷丝板系统，可以从蛋白质中织网。

    贻贝也以独特的方式处理它们的蛋白质。

    多巴蛋白包含在囊泡中，金属离子存储在单独的粒子中。

    动物有一个微流体通道系统，可以在需要的地方和时间混合所有部分。

    一个触发器，可能是 pH 值的变化，会打开金属储存颗粒和蛋白质囊泡。

    在这一点上，金属和蛋白质在形成粘性材料的过程中通过通道时首先接触并交联。

     在将粘合剂连接到贻贝的螺纹中，铁结合提供了硬度和柔韧性的有益特性。

    当液体前体转变为固体时，胶的蛋白质斑块在固化过程中也需要铁。

    水中铁浓度的变化，会改变斑块的微观结构和粘附强度。

    斑块中存在可逆的金属-蛋白质螯合 ，以及更持久的蛋白质-蛋白质共价键。

    铁 (III) 离子结合和氧化 DOPA 基团似乎开始了交联化学。

    贻贝将含蛋白质的囊泡（绿色）和金属储存颗粒分泌到微通道的管腔中，在那里它们被纤毛（蓝色）移动并混合到新生的粘附斑块（紫色）中。

    在海水中的氧化还原活性金属中，铁是最普遍的。

    在那里，铁通常是颗粒状的，贻贝很容易在它们的进料过滤器中收集。

    铜和锰的浓度也高于钒。

    海水中金属的确切浓度因地点而异，但铁的含量往往是钒的5 到100倍。

    因此，钒在生物学中很少见，这也许不足为奇。

    一些海鞘、蠕虫和蘑菇会积聚这种金属，原因尚不清楚。

    一小部分酶，包括卤代过氧化物酶和固氮酶，具有含钒的活性位点。

    贻贝如何获得这种稀有金属，仍然是一个悬而未决的问题。

    他们为什么使用钒？

    贻贝积累铁和钒，但在很大程度上将它们分开。

    这种分配表明存在区分金属离子的方法。

    与蛋白质混合后，两种金属可以共存。

    向钢中添加钒可在形成合金时增加强度并减轻重量。

    即使贻贝中不存在合金，在这种粘合剂系统中含有不止一种金属可能会对机械性能产生影响。

    更高的氧化态，带来了电子缺陷和与富含电子的配体的更紧密结合。

    钒 (V) 具有 +4（甚至 +5）氧化态，不易被铁 (Fe) 获得。

    潜在的 V4+(DOPA)3 复合物的金属-蛋白质键强度和动力学稳定性，可能大于相应的 Fe3+(DOPA)3 交联。

    三个 DOPA 残基与 V4+ 的结合需要强制条件。

    贻贝粘合剂(12)内存在过量的这种配体。

    使用两种金属有什么好处？

    生物材料（如骨骼和木材）通过具有易碎的非共价键获得韧性。

    当受到机械力时，这些键会在不同的负载下破碎，以减轻应力累积，同时保持较大结构的完整性。

    当与铁和钒交联时，含有儿茶酚的合成聚合物显示出粘弹性的变化。

    可能有一个类比，贻贝似乎具有更强的 V4+-DOPA 键和相对较弱的 Fe3+-DOPA 相互作用。

    在这样做时，与仅存在铁的情况相比，动物可能能够从环境中消散更广泛的机械力。

    我们开始了解海洋生物，如何以及为何处理低丰度金属。

    这些知识已被用于创建仿生材料，包括在水下工作的组织工程支架、涂层和粘合剂。

    也许不同金属提供的各种特性，将在这些设计工作中发挥越来越突出的作用。

    就像黄金和铂金在商业中被赋予独特的地位一样，稀有金属，似乎被保存用于生物学的特殊目的。

    文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm2298DOI: 10.1126/science.abm2298本文普渡大学化学系Jonathan J. Wilker，译自“Science”。