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文章亮点
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近期，浙江大学傅维琦团队与国内研究人员合作在Advanced Intelligent Systems 发表硅藻仿生研究成果，利用机器学习设计新型硅化肽可仿生合成纳米二氧化硅。通过功能预测和实验发现，部分硅化肽与常用的R5多肽相比具有更高的反应活性及反应速率，并具有更宽的反应pH范围。将新设计合成的硅化肽用于包裹模式硅藻三角褐指藻，显著增强了细胞的抗紫外能力。硅化肽的设计对于纳米二氧化硅仿生合成机制的理解具有重要意义，而三角褐指藻的人工封装有利于开发新的生物传感器。
- ^7 A8 z6 M6 L% a% _2 f* [! J1 `4 ]& F一、研究背景
: v+ u3 O+ d8 p纳米二氧化硅具有高比表面积、易于控制孔径和低毒性的特点，广泛应用于催化剂、涂料、食品添加剂、药物载体和生物传感器等领域。然而，纳米二氧化硅的常规化学合成通常需要高温高压条件，不仅高能耗、高污染，并且易产生有毒副产物。因此，亟需开发一种绿色低碳的合成方法来取代传统的合成方法。
- d0 H% u! {/ K7 e硅藻是一类主要的单细胞藻类（浮游植物），其数量非常丰富，保守估计有10万种以上。硅藻细胞壁（壳）主要由纳米二氧化硅组成。受硅藻细胞壁合成的启发，仿生合成被认为在制备纳米二氧化硅领域极具潜力。/ h' o5 t% N1 }8 Q+ L. f- M' x" W
二、成果讨论
5 P# O' C3 p! N+ ]3 M" R4 J1.机器学习预测功能
* J J& |: S* a; J9 L s抗菌肽数量较多，且与硅化肽具有一定的结构相似性，如阳离子的作用、两亲性等。将抗菌肽功能预测模型应用于硅化肽中，对其进行微调，可将硅化肽功能预测的准确率从53%提高到67%。
0 k' y7 N8 b# N9 H/ |2．合成机制研究
+ S0 D& P3 V* j" k, N5 b" J在不同条件下对新设计合成的硅化肽仿生合成纳米二氧化硅的特性进行研究，发现磷酸盐并非必需条件，但其对纳米二氧化硅的粒径产生影响。同时，反应pH值越大，反应速率越快。1 c" e) y0 x5 p$ v$ E" l
基于硅化肽在不同pH下的催化合成特性，发现多肽的等电点与合成效果关系紧密，硅化功能的出现需要在特定pH值下阴、阳离子达到平衡为前提；硅化肽可进一步通过静电作用和疏水作用进行自组装形成模板，与四甲氧基硅烷在酸性条件下解离出的Si(OH)3O-反应生成纳米二氧化硅。8 a+ o6 ~% _0 X+ i; K x2 d
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2 {! a1 K' S6 o" A3.利用纳米二氧化硅包裹三角褐指藻! t+ W8 `# m0 E/ _
将纳米二氧化硅包裹在三角藻表面可显著提高其抗紫外线能力。二氧化硅纳米粒子之间有一些孔隙而松散地结合，并包裹在三角褐指藻表面。抗紫外线性能的提高主要是得益于纳米二氧化硅对紫外线的反射；同时，纳米二氧化硅形成的孔隙结构也可使入射的紫外线在经历不断的反射和吸收后造成强度下降。& l+ ]! r# j! T" s# ?) I, o5 K
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* N% x7 F |1 W5 u9 J' \& `. C9 n三、总结$ B5 q, r3 [$ {# {8 v4 i! `
1.仿生设计了新型硅化肽，并利用机器学习预测其功能特性。0 d4 K( Q+ X: W5 l
2.考察了设计合成的硅化肽的功能并通过关联其反应特性和等电点，深化了对纳米二氧化硅合成机制的认识。4 v t# q R) _ W
3.利用静电作用将硅化肽吸附在模式硅藻三角褐指藻细胞表面，使细胞获得纳米二氧化硅外壳，显著提高了三角褐指藻的抗紫外能力，并可有效提高细胞活性和抗逆境能力。# b; j& t- c8 C- J5 j' a5 k
论文链接：# {* i4 G6 D5 p0 c3 r8 _
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http://doi.org/10.1002/aisy.202300467
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0 q7 A" Z* _! }9 B% M4 E5 I信息来源：浙江大学。 |
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