细菌变成石头

“Daadii(दादी)，请给我讲个故事吧”，我向祖母恳求了一百万次，她一如既往地微笑着答应了。那天晚上，我的代言人讲述了艾米莉亚的故事，她因为丈夫的不忠而被诅咒，变成了石头，但最终被拉玛主放了出来。“达迪，生物不会变成石头”，我满怀信心地说，这是一位无所不知的年轻学者，他上过生物课，功劳很高。我感谢她给我讲的故事，然后就睡着了。

想象一下我的惊讶，几年后，当我发现自己在通过显微镜研究一种名为巴氏芽孢杆菌(SP)的细菌时，看着它慢慢变成了“石头”！这不是我的眼睛捉弄我，而是我亲眼目睹了生物矿化的过程，生物矿化是指生命过程导致环境发生化学变化而导致矿物沉淀的过程。很多生物体都能做到这一现象，即使是微小的细菌也能做到这一点，对于细菌等单细胞生物体来说，生物矿化过程可以是胞外的，也可以是胞内的。生物矿化可能是地球上最大的“制造”过程之一，与地球上生命的出现密切相关。许多人认为，生物矿化过程在前寒武纪末期变得普遍，可能在38亿年前[1]。生物矿化也导致了地球的大幅降温，因为这个过程可以通过将二氧化碳等分子转化为碳酸盐来隔离它们。贝壳是生物矿化的产物。下一次你沿着海边散步时，花点时间找到一块，想象一下那块小小的“岩石”是如何在决定我们心爱的普里斯维(梵语中意为地球)历史的过程中发挥作用的。

许多生物因其在生物矿化中的作用而受到牵连。就细菌而言，已知某些物种能够参与这一过程，尽管这一过程的生物物理学的几个方面仍在调查中。我们的细菌SP因其在合适的条件下沉淀碳酸钙的能力而备受瞩目。生物矿化过程的某些特征是已知的-例如，细菌在这种情况下喜欢哪种“食物”，介质pH的影响等。通常建议通过以下一系列反应来导致SP的生物矿化过程[2]：

方程式(6)仍然存在争议。许多研究人员认为细菌细胞壁本身就是成核位点，因为细菌细胞表面携带负电荷基团，从而促进了阳离子(如Ca2+)在细胞表面的结合。然而，这一观点遭到了其他研究人员的质疑，他们断言，某些细胞保护机制可以防止细菌附近的矿物质结垢。他们的理论是，矿物质沉淀发生在离细胞壁一段距离的地方，而不是直接在细胞壁上。你可能会认为，这个分歧可以很容易地通过观察这个过程来解决。然而，这个过程的动力学是这样的，当晶体成核时，直接观察是具有挑战性的。在我们的工作中，我们通过使用特制的凝胶悬浮液来观察这一过程中的细胞，从而解决了这个问题。相当有趣的是，我们能够观察到细胞表面缓慢的钙化，其中的成核是以纳米晶体的形式开始的。下面的两张图片代表了我们结果的样本。扫描电子显微镜的图像是假彩色的，细菌是绿色的，碳酸钙晶体是蓝色的，生物胶是金色的。

由于在创建绿色结构和自修复建筑方面的潜在应用，对生物矿化的生物物理方面的研究已经引起了许多研究人员的注意。例如，一个人希望修复有一千年历史的穆尔提，它已经发展出内部裂缝。这种结构的维护给自然资源保护者带来了严峻的挑战：不适当的维修可能会显著降低遗产结构的质量，并可能使其贬值到不可接受的程度。在这里，人们可以使用生物矿化细菌作为微型泥瓦匠，进入裂缝中，通过变成石头来愈合裂缝。同样的概念也可以用来制造“绿色”砖。今天有一些初创公司实际上正在将这些想法转化为现实，并为自己开辟了一个生物矿化市场。

关于作者：Aloke Kumar博士目前是班加罗尔印度科学研究所的助理教授。他在推特上写道：@aalokelab