海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展

常去海边旅游,常逛海鲜市场,喜欢新奇食物的人一定见识过这种长相奇特的海洋动物—藤壶。藤壶仅指甲盖大小,是一种由坚硬钙质外壳包围起来、营固着生活的节肢动物,它能分泌主要由蛋白质构成的生物胶水—藤壶胶,使其牢固附着在海边的礁石、船体、贝壳等物体上,形成大片的种群。某些特殊的藤壶还是餐桌上的美味佳肴,因其捕捞艰难,素有“来自地狱的海鲜”之称(图1)。

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
 图1 藤壶、藤壶胶及其污损场景和美食

 

藤壶依赖藤壶胶牢固附着在海洋舰船表面,引起航行阻力加大、能耗增多、腐蚀加剧等系列问题,导致严重的海洋污损和经济损失。因此,抑制藤壶的表面附着是海洋防污研究的重要目标,而藤壶附着情况也是室内评价材料防污性能的指标之一。反过来,藤壶分泌的藤壶胶具有在水下交联固化实现牢固粘接的本领,是一种优越的天然材料,为仿生开发水下胶和潮湿环境的生物医用胶提供了很好的灵感。无论是抑制藤壶附着进行防污材料的开发,还是模拟藤壶附着开展仿生胶的研究,对藤壶附着机制的解析至关重要。

近年来,围绕上述两方面目的,国防科技大学仿生生物学团队胡碧茹教授课题组从(1)藤壶幼虫基底探测、信号转导与表面定居,以及(2)藤壶成体胶的分泌与固化两大方向开展长期的藤壶附着机理研究(图2),寻找防污和设计仿生胶的突破点,现已取得重要阶段性成果1, 2。

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
 图2 藤壶附着的关键节点1, 2

 

针对幼虫基底探测与定居的关键过程,该课题组利用高通量的转录组学方法理解其背后的分子机制,寻找防污新思路。近期,系统分析天然信息素SIPC(Settlement-Inducing Protein Complex)诱导藤壶幼虫基底附着的分子机制发现,低浓度的SIPC即可刺激G蛋白偶联受体产生响应,进而激发内质网分泌大量囊泡而加强蛋白性分泌物的释放,同时探明的各种胶蛋白组分的表达并不受SIPC的显著影响3。

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
图3 SIPC促进藤壶幼虫释放蛋白性分泌物的机理

 

在成体藤壶胶的研究方面,相关工作包括三个层次:一是结合多种组学手段发现和解析新的藤壶胶蛋白,为藤壶胶蛋白家族添加新成员。该团队发现一种尚未报道过的疑似新藤壶胶蛋白,现正开展进一步确认工作。二是针对藤壶胶研究中原材料极难获取的挑战,长年来不断摸索和优化利用分子生物学方法表达获取不同的藤壶胶蛋白,现已成功、稳定掌握了cp19k、cp20k和cp52k三种藤壶胶蛋白的制备方法。三是以重组胶蛋白为原材料,开展蛋白质—材料互作的界面粘接机理、蛋白质—蛋白质互作的自组装以及仿生胶研究等工作。

针对cp19k蛋白,该团队最初将其与另一种蛋白融合表达,意外发现该杂合蛋白可形成一种高粘接强度(干燥条件下对铝板的粘接强度约2MPa)的单组分蛋白胶粘剂(图4)4。后续以无额外蛋白标签的重组cp19k蛋白为研究对象,首次证实该蛋白在类海水条件下自组装成淀粉样纤维(图5)5,而在酸性低盐度条件下自组装成非淀粉样纤维(图6),相关自组装性质均与该蛋白是否形成分子内二硫键无关,而且还发现该蛋白自组装成纤维后粘性会明显增加6。围绕cp52k和cp20k的研究也已取得了部分结果,现正在整理和完善。

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
图4 cp19k蛋白的表达及其粘附性能4

 

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
图5 cp19k蛋白在海水环境下自组装成淀粉样纤维5 

 

国防科技大学胡碧茹教授课题组:海洋强势污损生物—藤壶​附着机制研究进展
图6 cp19k蛋白在低离子强度、不同pH条件下的AFM图像6

 

目前,该团队正在推动藤壶人工养殖系统的建立,该系统一旦成功运行,不仅可以大量孵化藤壶幼虫,开展材料防污性能的室内评估及幼虫附着分子机理的深入分析,还可以原位实时进行成体藤壶行为学观测,获得宝贵的数据资料。同时,该课题组正在积极开展藤壶胶蛋白的界面粘接机理和藤壶胶蛋白及其仿生多肽的自组装研究,在更深入理解藤壶附着机理的基础上,将进一步开展仿生人工化学胶的合成与应用研究。

参考文献

1. 张新康, 刘兴平, 曾玲, 叶宗煌, 胡碧茹, 吴文健. 藤壶附着:从基底探测到胶的固化. 生物化学与生物物理进展, 2017, 44(03): 204-214.

2. LiangC, Strickland J, Ye Z, Wu W, Hu B, Rittschof, D. Biochemistry of BarnacleAdhesion: An Updated Review. Frontiers in Marine Science, 2019, 6: 565.

3. ZhangX, Liang C, Song J, Ye Z, Wu W, Hu B. Transcriptome analyses suggest amolecular mechanism for the SIPC response of Amphibalanus amphitrite.Biochemical and Biophysical Research Communications, 2020, 525(4): 823-829.

4. LiangC, Li Y, Liu Z, Wu W, Hu B. Protein Aggregation Formed by Recombinant cp19kHomologue of Balanus albicostatus Combined with an 18 kDa N-Terminus Encoded bypET-32a(+) Plasmid Having Adhesion Strength Comparable to Several CommercialGlues. Plos One, 2015, 10 (8):e0136493.

5. Liu X,Liang C, Zhang X, Li J, Huang J, Zeng L, Ye Z, Hu B, Wu W. Amyloid fibrilaggregation: An insight into the underwater adhesion of barnacle cement.Biochemical and Biophysical Research Communications, 2017, 493(1): 654-659.

6. LiangC, Ye Z, Xue B, Zeng L, Wu W, Zhong C, Cao Y, Hu B, Messersmith PB.Self-Assembled Nanofibers for Strong Underwater Adhesion: The Trick ofBarnacles. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(30): 25017-25025.

 

相关新闻

评论列表(1条)

  • Lavada
    Lavada 2020年8月1日 下午1:17

    When someone writes an post he/she retains the thought of a user in his/her brain that how a user can understand it. Thus that’s why this piece of writing is outstdanding.
    Thanks!

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

微信