[发明专利]一种利用表面展示外源蛋白合成的二氧化钛粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明属于仿生合成领域，具体涉及一种利用表面展示外源蛋白合成的二氧化钛粉体及其制备方法和应用。所述二氧化钛粉体由内层的二氧化钛和包覆在其外层的碳化物组成；所述碳化物为表面展示有外源蛋白INP‑nR5的细菌经高温热处理后的碳化产物。本发明利用细菌表面展示外源蛋白INP‑nR5合成二氧化钛粉体，通过改变外源蛋白INP‑nR5的重复序列片段，可以获得外层包覆有碳的棒状二氧化钛粉体；所述棒状二氧化钛粉体具有介孔结构、颗粒粒径小、外层包覆有碳，将其应用于制备锂离子电池负极材料，显示出了良好的储锂性能。

技术领域

本发明属于仿生合成领域，具体涉及一种利用表面展示外源蛋白合成的二氧化钛粉体及其制备方法和应用。

背景技术

生物矿化是指生物体合成高度精细的有机-无机杂化结构的过程，其实质是生物体内矿物生长的过程。在矿物生长的过程中，生物体内蛋白质起着至关重要的作用，例如骨骼中的非胶原蛋白、贝壳中蛋白聚糖、硅藻中硅蛋白等。这些蛋白质不仅在生物体内的矿物形成过程中起到作用，而且还能用于体外合成其它非生物体无机材料。将蛋白质用于指导无机材料的合成，利用蛋白质来指导无机材料的合成具有以下几个优势：第一，相比于传统的材料合成工艺技术，其反应条件更加温和；第二，对材料的合成精细可控，因为蛋白质可影响产物的尺寸、形貌、化学性质等；第三，可赋予材料高度特异性或多功能性。

将蛋白质用于合成非生物体材料研究最多的是生物体海绵中的硅蛋白(silicaprotein，silicatein)和硅藻细胞壁中的亲硅蛋白(silica affinity，silaffin)。亲硅蛋白，在硅藻细胞壁中含量丰富，含有大量的赖氨酸和精氨酸。Nils Kroger等人首次使用亲硅蛋白的碳端(rSilC)在室温下获得了二氧化钛金红石相。随后，他们将rSilC蛋白质通过层层自组装技术吸附在膜上，而rSilC分子本身聚集在一起形成纳米畴，这样就可以作为模板来形成以及稳定纳米尺度的TiO₂颗粒，还能有效阻止颗粒间的聚集(BioenabledSurface-Mediated Growth of Titania Nanoparticles,Adv.Mater.2008,20,3274–3279)。亲硅蛋白本身还有很多重复片段，单个片段含有19个氨基酸，称为R5。

若直接从生物体提取蛋白质的步骤繁琐，产量少，纯度也不高。分子生物的发展解决了这一问题，因为采用该技术可以合理的设计所需要的蛋白质，再通过表达纯化来获得高纯度的目的蛋白质。不过表达纯化也有缺点，可能目的蛋白质具有疏水性，在纯化后易于团聚形成包涵体。表面展示技术能有效的克服这一困难，将目的蛋白质展示在生物体表面后，生物体本身也可以作为模板，这样获得的产物不再是单一的颗粒，而是具有多尺度的空间结构。

表面展示分为噬菌体表面展示和细菌表面展示。研究工作大多通过基因工程改造，使得目的蛋白质展示在噬菌体衣壳蛋白上，或者大肠杆菌外膜上。细菌表面展示相比于噬菌体表面展示，具有以下优势：第一，更准确的控制蛋白质在表面的分布密度，这样更利于控制材料在表面的形成；第二，可以随意选择有模板活性的目的蛋白质展示；第三，具有更加宽泛的温度适应性，更有利于化学反应；第四，可宏量制备。目前，还没有专利或研究论文报道使用表面展示的方法来制备二氧化钛，并将其应用于锂离子电池。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种利用表面展示外源蛋白合成的二氧化钛粉体及其制备方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种细菌表面展示外源蛋白INP-nR5，包括冰核蛋白域INP和功能蛋白域nR5，其中n为5、3、2、1；所述外源蛋白INP-5R5的氨基酸序列如SEQ ID NO.2所示；所述外源蛋白INP-3R5的氨基酸序列如SEQ ID NO.4所示；所述外源蛋白INP-2R5的氨基酸序列如SEQ ID NO.6所示；所述外源蛋白INP-R5的氨基酸序列如SEQ ID NO.8所示。