生物矿化描述的是在生物体内外的有机分子控制下形成无机矿物的过程。此生物矿化过程为跨学科研究领域，覆盖农业、环境、医学和晶体材料科学等。从化学本质上来说，生物矿化过程主要是有机生物大/小分子与无机矿物之间的相互作用和反应。因此，无机矿物的形成机制以及有机分子在矿化过程中的调控机制研究显得尤为重要。根据不同生物分子的化学组成和结构，生物分子调控下的生物矿物在结构、组成和形貌等方面也是多种多样的。目前，对于最早期的成核阶段和成核后的晶面生长动力学过程、有机分子与矿物晶核或专一性晶面的相互作用研究仍然不足，这主要是由于缺乏原位研究手段。在本项研究中，借助了最新的原位成像技术在纳米尺度上观测无机矿物磷酸钙在有机分子作用下的生长动力学和相变过程。磷酸钙作为最常见的生物矿物，可以形成多种生物硬组织(动物的骨和牙及植物的毛状体)。同时，磷酸钙的矿化对生物/地质环境中的钙和磷以及重金属的转运同样起到了控制作用。在磷酸钙结晶过程中，有机分子Amelotin(AMTN)是新发现的一种能够促进磷酸钙结晶的蛋白。因此，在实验室条件下合成了磷酸钙(无定形磷酸钙和二水磷酸氢钙等)，并利用大肠杆菌合成重组AMTN蛋白。借助原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)原位观察二水磷酸氢钙表面在AMTN作用下的生长动力学过程。此外，结合原子力显微镜与高分辨拉曼光谱原位实时观测了无定形磷酸钙的相变过程。利用AFM基的单分子力谱(Single Molecular Force Spectroscopy, SMFS)技术，深入探明了单分子AMTN和无定形磷酸钙/二水磷酸氢钙作用的热力学机制。本研究得出的具体结论如下：
　　1．AMTN蛋白的合成及纯化
　　我们利用大肠杆菌简单快捷地合成了带有His标签的重组AMTN蛋白，并根据His标签移除方法一步提纯AMTN蛋白，该方法最终得到大量高纯度的AMTN。此外，利用PCR技术删除质粒中的一段基因序列，合成AMTN突变体。该方法不仅可以用来合成AMTN蛋白，还可以用来合成其他的蛋白或者多肽，为有机分子与磷酸钙矿物相互作用研究提供了蛋白生物材料。
　　2．在不同浓度下，AMTN通过完全不同的作用机制调控二水磷酸氢钙(DCPD)表面生长动力学。AMTN蛋白中的活性域(SSEEL)和DCPD(010)表面可产生特定的相互作用。
　　我们利用AFM原位测定了DCPD(010)面三个方向的台阶速度。我们发现AMTN只在有限的浓度范围内(35-75 nM)促进晶面生长，超过此范围则抑制晶面生长。此外，AMTN中高度保守序列的多肽SSEEL(Ser-Ser-Glu-Glu-Leu)域，具有同低浓度AMTN类似的抑制作用。利用AFM基的单分子力谱(SMFS)技术，我们直接测量了AMTN及SSEEL多肽和DCPD(010)表面的结合能。结果发现，尽管AMTN和SSEEL多肽与DCPD表面的结合能存在显著差异，但它们与DCPD表面的断裂力是相似的，这表明AMTN中的活性域(SSEEL)有助于与DCPD(010)表面产生特定的相互作用。这些发现揭示了AMTN的功能域调控DCPD晶面生长的动力学和热力学基础。
　　3．AMTN通过促进无定形磷酸钙(ACP)的相变来促进热力学上最稳定的羟基磷灰石(HAP)的形成。SMFS测量表明高度保守的SSEEL功能域控制ACP的相变。
　　利用高分辨拉曼光谱和原位AFM直接观测了溶液中ACP的原位结晶动力学过程。我们发现AMTN通过促进ACP的相变来促进HAP晶体的形成。在近生理溶液条件下，ACP矿物通过溶解-再结晶机制转变为HAP，在此过程中，吸附在矿物表面的AMTN即使在磷酸钙过饱和溶液中也可通过与钙离子的强络合作用来促进ACP的溶解。单分子力谱测量了AMTN分别吸附在四种磷酸钙(ACP、DCPD、磷酸八钙(OCP)和HAP)矿物表面上的平衡态断裂力和结合自由能，探明了AMTN中的高度保守功能域(SSEEL)控制无定形磷酸钙的相变，并影响HAP的表面力学性能。
　　4．在无定形磷酸钙前体相向终产物相变过程中，AMTN和氟离子(F-)共同控制氟取代的羟基磷灰石(F-HAP)的形成和有序组装，并增强了F-HAP的表面力学性能。
　　我们利用原位AFM观察了AMTN对ACP前体相转变为F-HAP过程的影响。在F-离子存在时，F-HAP纳米棒在ACP表面随机沉积，然而在1μMAMTN存在时F-HAP纳米棒发生了有序组装。利用透射电子显微镜(TEM)，我们观察到从成核前团簇组装形成棒状晶体的最早期的成核过程，并且在这个过程中AMTN起到了调控晶体定向成核与结晶的作用。矿物表面的力学测量结果表明，纳米F-HAP表面模量显著增强。此研究强调了AMTN在调节F-HAP生物矿化过程中纳米晶的定向组装方面起了重要作用，这对磷酸钙生物材料合成以及地质环境中有毒氟离子扣押研究具有重要理论意义。