硅質(zhì)海綿骨針礦化機(jī)制及仿生應(yīng)用研究進(jìn)展

王曉紅,汪順?shù)h,甘 露,Ute Schlo?acher,周 峰,Klaus P.Jochum,Matthias Wiens,Heinz C.Schr?der,Werner E.G.Müller

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,北京 100037;

2)德國(guó)美因茨大學(xué)醫(yī)學(xué)中心,德國(guó)美因茨 55128;

3)德國(guó)馬－普化學(xué)所,德國(guó)美因茨 55020

硅質(zhì)海綿骨針礦化機(jī)制及仿生應(yīng)用研究進(jìn)展

王曉紅1),汪順?shù)h1),甘 露1),Ute Schlo?acher2),周 峰2),Klaus P.Jochum3),Matthias Wiens2),Heinz C.Schr?der2),Werner E.G.Müller2)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心,北京 100037;

2)德國(guó)美因茨大學(xué)醫(yī)學(xué)中心,德國(guó)美因茨 55128;

3)德國(guó)馬－普化學(xué)所,德國(guó)美因茨 55020

硅質(zhì)海綿動(dòng)物是地球上最簡(jiǎn)單、最古老的多細(xì)胞動(dòng)物,它經(jīng)幾百萬(wàn)年的自然進(jìn)化成就了適應(yīng)自然和接近完美的技術(shù)藍(lán)圖,為人類(lèi)利用納米生物技術(shù)仿生合成生物無(wú)機(jī)礦物材料提供了一種嶄新的節(jié)能和“環(huán)境友好”技術(shù),在光纖、微電子和生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域具有廣闊的仿生應(yīng)用前景。生長(zhǎng)在深海1000 m以下水深的單根海綿動(dòng)物的根須骨針長(zhǎng)達(dá)3 m,是世界上最長(zhǎng)的生物硅,也是生物硅化機(jī)制和仿生應(yīng)用研究不多見(jiàn)的載體。本文系統(tǒng)總結(jié)了我們?cè)趩胃＞d動(dòng)物根須骨針結(jié)構(gòu)、組成、機(jī)械性能、光物理性能、生化特性和分子生物學(xué)基礎(chǔ)、礦化機(jī)制和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域仿生應(yīng)用等方面的研究成果。

海綿動(dòng)物; 六放海綿動(dòng)物; 根須骨針; 生物硅; 硅蛋白; 生物硅化

仿生學(xué)是一門(mén)相當(dāng)年輕的科學(xué),但是,生物界經(jīng)幾百萬(wàn)年的自然進(jìn)化造就了與自然和生存環(huán)境和諧共存、選擇發(fā)展的各種優(yōu)異性狀和功能品質(zhì),給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了全新的設(shè)計(jì)理念和接近完美的技術(shù)藍(lán)圖,成為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展取之不盡的知識(shí)寶庫(kù),因此,一經(jīng)問(wèn)世就顯示了極強(qiáng)的生命力。利用生物礦化機(jī)制仿生合成生物無(wú)機(jī)礦物是一種嶄新的節(jié)能和“環(huán)境友好”技術(shù),是我國(guó)乃至世界“低碳資源”研究新領(lǐng)域。

硅質(zhì)海綿動(dòng)物在自然條件(常溫、常壓和硅含量極低的中性海水環(huán)境)下由硅蛋白/酶催化合成純的生物二氧化硅(骨架/骨針),有望徹底改善目前硅材料生產(chǎn)需要高溫、高壓和腐蝕性化學(xué)試劑參與的傳統(tǒng)工藝,在光纖、微電子和生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域具有廣闊的仿生應(yīng)用前景(Chael a1.,1999; Kraskoet al.,2000; Mülleret al.,2007)。

20世紀(jì)90年代,意大利生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了硅質(zhì)海綿骨針的光纖特性(Gainoet al.,1994),特別是21世紀(jì)初美國(guó)科學(xué)家進(jìn)一步指出了這些特性將給人類(lèi)制造光纖帶來(lái)新思路(Sundarel a1.,2003; Aizenberget a1.,2004),便很快引起了科學(xué)家們對(duì)硅質(zhì)海綿骨針結(jié)構(gòu)、特性、生長(zhǎng)機(jī)制與調(diào)控的生物學(xué)、生礦物學(xué)以及仿生學(xué)的廣泛研究興趣(王曉紅等,2006,2007)。但是，系統(tǒng)的工作主要是針對(duì)可在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的尋常海綿動(dòng)物Subrites domuncula進(jìn)行的(Mülleret al.,2007a)。

我國(guó)擁有豐富的六放海綿動(dòng)物資源,特別是單根海綿動(dòng)物骨針標(biāo)本,近來(lái)我們有幸在我國(guó)南海2000多米水深采集到了世界上最長(zhǎng)的單根海綿動(dòng)物根須骨針(2.5 m),使得我們的研究工作取得了突破性進(jìn)展。本文就是對(duì)這些珍貴樣品研究成果的總結(jié)。

1 單根海綿動(dòng)物及其發(fā)現(xiàn)

單根海綿動(dòng)物生活在深海環(huán)境中,一根巨大的根須骨針扎根在沉積物中支撐著橢圓形的身體(圖1A,F),它們從流過(guò)身體溝道系統(tǒng)的水流中獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而生存。單根海綿動(dòng)物的根須骨針可長(zhǎng)達(dá)3 m,代表了地球上最長(zhǎng)的生物硅結(jié)構(gòu)。

德國(guó)“瓦爾迪維亞(Valdivia)”號(hào)在1898—1899年的深海探險(xiǎn)中首次在東非海岸索馬里盆地1644 m水深發(fā)現(xiàn)了單根海綿動(dòng)物。這個(gè)標(biāo)本有一根約 3 m長(zhǎng)的巨大的根須骨針,并由一根同樣長(zhǎng)的伴骨針環(huán)繞,成為這次深海探險(xiǎn)最重要的收獲之一(圖1),但后人一直沒(méi)有見(jiàn)到實(shí)物。Schulze(1904)對(duì)該單根海綿動(dòng)物(Monorhaphis)標(biāo)本進(jìn)行了詳細(xì)描述和拍照。另外,他用草圖勾畫(huà)了單根海綿動(dòng)物不同生長(zhǎng)期的形態(tài)變化: 年輕的單根海綿動(dòng)物整個(gè)的根須骨針都被軟組織包裹,但隨著個(gè)體的生長(zhǎng),根部的軟組織逐漸消退,年老的個(gè)體的根須骨針底部暴露(圖1B)。單根海綿動(dòng)物身體的一側(cè)有許多開(kāi)口(圖 1C-E),通過(guò)這些開(kāi)口,可以觀察到內(nèi)部有序的骨架結(jié)構(gòu)(圖2)。

2008年,我們有幸在我國(guó)南海采到了一根長(zhǎng)達(dá)2.5 m的單根海綿動(dòng)物根須骨針和它的伴骨針,根須骨針中部的直徑約為1 cm,底部的直徑約為0.3 cm,伴骨針略短也略細(xì),最大直徑約0.5 cm(Wanget al.,2009a)。

2 單根海綿動(dòng)物骨針的多樣性和結(jié)構(gòu)

單根海綿動(dòng)物與其它所有六放海綿動(dòng)物一樣,其骨架由大骨針(0.2 mm～3 m)和小骨針(＜0.1 mm)組成,具有支撐和保護(hù)身體的功能。一根巨大的根須骨針和一根伴骨針一起構(gòu)成了單根海綿動(dòng)物的主要骨架。另外,在單根海綿動(dòng)物中還找到了14種長(zhǎng)度從幾微米到 50毫米不等的骨針(Mülleret al.,2007b; Schulze,1904; Tabachnick,2002)。

單根海綿根須骨針一般由外圍無(wú)機(jī)硅層和中心有機(jī)軸絲(af)組成(圖3A,B; Wanget al.,2009a)。無(wú)機(jī)硅層又分為三個(gè)部分,即中間存放軸絲的軸洞(ac),圍繞軸洞直徑約為 100～150 μm 的均勻硅層(cy)和外部規(guī)則的同心圓狀硅薄層(la),每硅薄層厚約 3～10 μm,根據(jù)骨針大小不同可能有 300～1000層的硅薄層(圖3C,D)。中心有機(jī)軸絲的主要成分是硅蛋白(Silicatein),它既是催化硅質(zhì)海綿骨針生長(zhǎng)的酶也是模板。不同類(lèi)型的海綿骨針,其軸洞和軸絲截面的形狀不同,對(duì)于單根海綿根須骨針,其軸洞的為圓形,而軸絲為矩形(圖3A,B)。

3 單根海綿動(dòng)物骨針的化學(xué)組成

Sandford(2003)和Müller(Mülleret al.,2007b)等曾經(jīng)對(duì)六放海綿骨針和尋常海綿骨針的化學(xué)組成進(jìn)行了研究; Schulze早在1904年就測(cè)定出硅質(zhì)海綿骨針中除 96%的硅外,只有痕量的Na 和K。最近,我們利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜(LA-ICP-MS)技術(shù)系統(tǒng)研究了單根海綿骨針截面(直徑約 7 mm)中 40多個(gè)元素的含量及分布特征(從骨針截面的中心到邊緣),發(fā)現(xiàn)所有元素的含量在硅質(zhì)海綿骨針截面中的變化都較小,而且與Si 相比,其它元素的含量都極低,Si以外的其它元素的含量總和僅為SiO2含量的0.005倍,其純度幾乎達(dá)到了石英的純度，而Na 的含量?jī)H為0.21%,與生長(zhǎng)于其中、提供其物質(zhì)來(lái)源的天然海水的元素組成(Na: 32.4%,Si: 0.006%)形成了鮮明對(duì)比(圖 4),展現(xiàn)了生物界的無(wú)比威力。

4 單根海綿動(dòng)物根須骨針的機(jī)械性能

Levi等通過(guò)對(duì)單根海綿骨針的研究認(rèn)為海綿骨針的多層結(jié)構(gòu)有望改善其機(jī)械性能(Leviet al.,1989)。Mayer認(rèn)為天然生物復(fù)合材料中有機(jī)相的存在能控制能量損耗,特別是摻雜有有機(jī)薄層的無(wú)機(jī)材料(Mayer et al.,2005)。我們最近利用高分辨掃描電鏡(HR-SEM)對(duì)單根海綿根須骨針的研究表明,有機(jī)質(zhì)不僅分布在軸洞周?chē)?而且外圍的硅層和硅薄層中都有有機(jī)質(zhì)存在(Mülleret al.,2007b)。

為了證實(shí)這種具有特殊結(jié)構(gòu)和組成的硅質(zhì)海綿骨針擁有獨(dú)特的機(jī)械穩(wěn)定性,我們進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),硅質(zhì)海綿骨針(直徑 2.1～2.6 mm)高溫處理(600℃,20分鐘)前后的壓力－位移對(duì)比曲線見(jiàn)圖5(Mülleret al.,2007b; Mülleret al.,2008b)。紅色的曲線為樣品加熱前的彎曲曲線,樣品的斷裂經(jīng)歷了A、B、C和D幾個(gè)特征點(diǎn),是一個(gè)逐步斷裂的過(guò)程,樣品的彎曲性能好; 而黑色的曲線為樣品加熱后的彎曲曲線,和普通的玻璃絲一樣其斷裂過(guò)程是一個(gè)瞬間過(guò)程,樣品很脆,彎曲性能差。硅質(zhì)海綿骨針經(jīng)過(guò)高溫處理,有機(jī)質(zhì)消失,樣品變脆,說(shuō)明硅質(zhì)海綿骨針除了同心圓多層結(jié)構(gòu)外,有機(jī)質(zhì)的存在對(duì)其韌性,即彎曲性能有很大影響。

5 單根海綿動(dòng)物根須骨針的光物理性能

海綿動(dòng)物利用其復(fù)雜的細(xì)胞－細(xì)胞和多樣化的細(xì)胞－基質(zhì)反應(yīng)系統(tǒng),通過(guò)身體收縮或擴(kuò)張對(duì)外界的物理刺激做出迅速回應(yīng)(Mülleret al.,2004)，這些通常是神經(jīng)系統(tǒng)的功能,但是，科學(xué)家們一直沒(méi)有在海綿動(dòng)物中找到構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)纖維或神經(jīng)鍵。

后來(lái),科學(xué)家們把海綿動(dòng)物信號(hào)系統(tǒng)研究的目光轉(zhuǎn)向了光系統(tǒng),因?yàn)?20世紀(jì) 70年代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)無(wú)論是海綿動(dòng)物胚胎還是海綿動(dòng)物都會(huì)對(duì)光的刺激做出反應(yīng)(Mackie,1979; Pavans de Ceccatty,1974);Leys等還發(fā)現(xiàn)海綿動(dòng)物可辨別不同波長(zhǎng)的光(Leyset al,2001; Leyset al.,2002); Cattaneo-Vietti等和Aizenberg等發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)海綿骨針(分別利用Rossella racovitzae和Euplectella aspergillum)可以導(dǎo)光(Aizenberget al.,2004; Cattaneo-Viettiet al.,1996);Müller等發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)海綿骨針(Hyalonema sieboldi)對(duì)光的傳輸有選擇性(Mülleret al.,2006)。我們研究了單根海綿根須骨針的導(dǎo)光(白光)性能,發(fā)現(xiàn)只有600～1400 nm波長(zhǎng)的光可以通過(guò),而且由于水分子的存在,在譜圖的960 nm和1150 nm處出現(xiàn)了兩個(gè)小的吸收峰(圖6)。

受上述研究成果的啟發(fā),我們?cè)诠栀|(zhì)海綿動(dòng)物中分離和鑒定出了發(fā)光蛋白——熒光素酶(Luciferase)和受體蛋白——隱形素(Cryptochrome),從而在硅質(zhì)海綿動(dòng)物中找到了具有神經(jīng)系統(tǒng)功能的光傳感系統(tǒng): 發(fā)光蛋白——熒光素酶發(fā)光,通過(guò)導(dǎo)光系統(tǒng)——骨針傳輸光,最后受體蛋白——隱形素接收光而傳遞信號(hào),對(duì)外界刺激作出實(shí)時(shí)反應(yīng)(圖7;Mülleret al.,2009a,2010)。

6 生化特性和分子生物學(xué)基礎(chǔ)

6.1 生化特性

用 HF溶解硅質(zhì)層是從硅質(zhì)海綿骨針中提取硅蛋白常用的方法。我們采用適量的 HF小心溶解單根海綿根須骨針外面的硅層(硅層溶解后立即中斷溶解過(guò)程),通過(guò)聚丙烯酰胺凝膠電泳法測(cè)定出了24-27 kDa的低分子量蛋白帶(Wanget al.,2008)。

為了證明該蛋白確實(shí)是硅蛋白,我們做了一系列的生化實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)27 kDa大小的蛋白與硅蛋白的抗體發(fā)生交叉反應(yīng),更重要的是其中的提取物與尋常海綿的寄居蟹皮海綿(Suberites domuncula)中的提取物類(lèi)似,都有蛋白水解酶活性。而且,這種提取物的蛋白水解酶活性能被巰基蛋白酶抑制劑E-64抑制(Mülleret al.,2008c)。

此外,我們從單根海綿根須骨針中檢測(cè)出了第二種有機(jī)物,半乳糖凝集素。對(duì)寄居蟹皮海綿骨針的研究表明,胞外硅蛋白分子與半乳糖凝集素分子密切相關(guān),它們共同參與硅質(zhì)海綿骨針硅層的生長(zhǎng)/礦化(Schr?deret al.,2006)。為此,我們利用標(biāo)準(zhǔn)的血凝試驗(yàn),檢驗(yàn)了單根海綿根須骨針提取物的凝集素活性。將馬血中的紅細(xì)胞置于單根海綿根須骨針提取物中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅細(xì)胞濃度超過(guò)2.5 μg/ml時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的紅細(xì)胞凝集現(xiàn)象(Wanget al.,2007)。

6.2 六放海綿中硅蛋白基因的cDNA克隆

如前所述,單根海綿動(dòng)物根須骨針中含有與尋常海綿動(dòng)物具有相似酶活性的物質(zhì)。遺憾的是未能采集到新鮮的單根海綿組織樣品,僅利用博物館收藏的樣品未能成功克隆出硅蛋白的cDNA編碼序列。為此,我們利用六放海綿動(dòng)物的另一個(gè)物種Crateromorpha meyeri的新鮮組織樣品,從中獲得了其硅蛋白的cDNA編碼序列(Mülleret al.,2008d)。發(fā)現(xiàn)作為硅蛋白特征氨基酸片段催化三聯(lián)體的絲氨酸(aa 22)、組胺酸(aa 161)和天冬酰胺殘基(aa 181)出現(xiàn)的位置與尋常海綿寄居蟹皮海綿的硅蛋白-α和貝加爾湖淡水海綿硅蛋白-α3中催化三聯(lián)體出現(xiàn)的位置完全一致(Mülleret al.,2007c)。但是,除了常規(guī)的絲氨酸基團(tuán)外,這種六放海綿多肽中還包含有第二個(gè)絲氨酸基團(tuán),這個(gè)基團(tuán)被稱(chēng)作六放海綿動(dòng)物特有的含有 5個(gè)殘基的絲氨酸基團(tuán),它出現(xiàn)在六放海綿基因序列中氨基酸殘基aa 169 與aa 173之間的區(qū)域。六放海綿動(dòng)物硅蛋白基因序列中包含了肽酶-C1木瓜家族半胱氨酸蛋白酶結(jié)構(gòu)域,與荔枝海綿(Tethya aurantium)和寄居蟹皮海綿中硅蛋白-β基因序列具有高度的相似性(期望值E＝8e-58),但與淡水海綿Leuciscus baicalensis基因序列相似性較低(E＝2e-47)(圖 8; Wanget al.,2009b)。

迄今為止,我們未能獲得確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解釋六放海綿動(dòng)物特有的絲氨酸基團(tuán)在硅蛋白分子中的潛在作用。但最近的研究發(fā)現(xiàn),與硅藻系統(tǒng)類(lèi)似,這些絲氨酸基團(tuán)通過(guò)側(cè)鏈上的羥基基團(tuán)與單個(gè)的硅酸分子發(fā)生作用(Müller et al.,2008a)。因此,我們推測(cè)六放海綿動(dòng)物特有的絲氨酸基團(tuán)和常規(guī)的絲氨酸基團(tuán)一起起著穩(wěn)定硅蛋白和聚硅酸表面之間反應(yīng)的作用。

7 單根海綿根須骨針的生長(zhǎng)/礦化機(jī)制

海綿是世界上最簡(jiǎn)單的多細(xì)胞動(dòng)物,但是不同種屬的海綿動(dòng)物其骨針的大小和形狀各不相同,其骨架/骨針的生長(zhǎng)/礦化機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜。

前人研究表明,硅蛋白可催化生物硅的礦化,而膠原蛋白和凝集素參與生物硅形態(tài)的調(diào)控。我們成功地從單根海綿骨針中分離和鑒定出了硅蛋白,又利用 SEM 技術(shù)我們?cè)趩胃＞d骨針表面找到了一層膠原蛋白鞘(表面有直徑約7～10 μm的規(guī)則圓孔)(Mülleret al.,2007d)。在單根海綿根須骨針結(jié)構(gòu)、組成和分子生物學(xué)等研究成果的基礎(chǔ)上,我們總結(jié)出了其礦化機(jī)制(圖9; Wang et al.,2009a)。

單根海綿動(dòng)物根須骨針的生長(zhǎng)/礦化包括兩個(gè)方面: 橫向的增粗(圖 9B)和縱向的增長(zhǎng)(圖 9C)。橫向生長(zhǎng)如圖 9B所示,中心軸洞里為由硅蛋白/酶組成的軸絲(af; 紅色),它既是硅質(zhì)海綿骨針生長(zhǎng)/礦化的模板又是催化劑; 通過(guò)硅蛋白的催化作用由正硅酸鹽(si)合成包裹在軸絲外面的均勻硅層(cy); 硅層外面附有一硅蛋白層(sil; 紅色橢圓),硅蛋白層由外面的凝集素分子層穩(wěn)定 (lec; 黃色橢圓),而凝集素分子層的方向由包裹其外面的膠原蛋白層控制(col; 灰色纖維結(jié)構(gòu)),通過(guò)反饋耦合機(jī)制形成一層層硅薄層構(gòu)成硅薄層區(qū),骨針增粗。而縱向生長(zhǎng)如圖9C所示: 六放海綿骨針頂端有一開(kāi)口,軸絲向上生長(zhǎng),硅蛋白從頂端釋放出來(lái)催化形成錐形結(jié)構(gòu)的硅薄層,硅薄層從頂端到根部生長(zhǎng),與頂端封閉的尋常海綿骨針的生長(zhǎng)/礦化機(jī)制不同(Mülleret al.,2005; Schr?deret al.,2006)。

8 硅質(zhì)海綿骨針的仿生應(yīng)用

硅質(zhì)海綿骨針的生長(zhǎng)由基因控制,其中起關(guān)鍵作用的就是硅蛋白(Chaet al.,1999; Kraskoet al.,2000)。在明確了海綿骨針生長(zhǎng)和礦化機(jī)制的前提下,Müller教授研究小組發(fā)展了硅蛋白的重組技術(shù)(Mülleret al.,2004),將其廣泛應(yīng)用于光纖、微電子和生物醫(yī)學(xué)材料等納米生物技術(shù)領(lǐng)域。這里重點(diǎn)介紹我們仿生制備生物醫(yī)學(xué)材料的新進(jìn)展。

通常而言,生物硅是自然生態(tài)系統(tǒng)中最基本的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(Struyfet al.,2009),它對(duì)人類(lèi)和其他脊椎動(dòng)物尤其重要(Carlisle,1986; Dycket al.,2000),硅缺乏會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的骨骼畸形(Carlisle,1972)。對(duì)于禽類(lèi),與心臟和肌肉組織相比,結(jié)締組織中的硅含量最高。動(dòng)物骨骼的形成與硅的累積可以建立一定的空間相關(guān)性,在類(lèi)骨質(zhì)周?chē)皖?lèi)骨質(zhì)與骨質(zhì)界面可檢測(cè)到大量的硅,表明這種無(wú)機(jī)成分對(duì)骨的形成至關(guān)重要。為此,Schr?der等深入研究了生物硅對(duì)成骨細(xì)胞活性的影響。實(shí)驗(yàn)表明,在有生物硅存在的β-磷酸甘油(一種磷酸脂)中培養(yǎng)成骨肉瘤細(xì)胞SaOS-2,其礦化活性增強(qiáng)(Schr?deret al.,2005)。值得注意的是,如果生物硅和Ι型膠原蛋白同時(shí)存在,不僅細(xì)胞中磷酸鈣的沉積增加,而且還刺激細(xì)胞的增殖。我們考察了生物硅和硅基化合物對(duì)控制牙釉質(zhì)形成關(guān)鍵基因表達(dá)的影響,研究發(fā)現(xiàn)硅基化合物的存在會(huì)增強(qiáng)標(biāo)識(shí)基因的表達(dá)，HR-SEM可觀察到有生物硅存在的細(xì)胞中羥磷灰石的沉積增加 (Mülleret al.,2007e)。在上述研究工作的基礎(chǔ)上,首次嘗試硅蛋白/生物硅在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用(骨骼/牙齒修復(fù)和牙齒保健 )取 得成功 (圖 10)。硅蛋白與偏硅酸鈉作用可在牙齒(豬牙齒; 圖Fig.10C,D)和骨骼(老鼠腿骨,見(jiàn)圖 10E,F)表面沉積生物硅層(50～150 nm),這樣就可以在牙齒表面形成一層生物硅保護(hù)膜,從而減少細(xì)菌的侵蝕而不會(huì)導(dǎo)致齲齒/蛀牙;通過(guò)生物硅刺激礦化細(xì)胞的活性而增加羥基磷灰石的沉積可修復(fù)骨組織(Mülleret al.,2009b,Wienset al.,2010a)。

最近,我們已經(jīng)初步仿生合成了一種具有生物活性能誘導(dǎo)骨骼再生的新型骨修復(fù)材料(圖 11)。這種材料由可塑性的支架和將硅蛋白包裹其中(保持硅蛋白的活性)的聚D,L乳酸/聚乙烯吡咯烷酮交聯(lián)共聚物微球體組成。這種材料具有生物兼容性和降解性,植入兔腿骨后,材料本身降解,刺激羥磷灰石沉積,實(shí)現(xiàn)骨再生,最后創(chuàng)傷基本修復(fù)(Wienset al.,2010b)。此外,生物硅還是治療和預(yù)防骨質(zhì)疏松的一劑良藥(圖12; Wienset al.,2010c)。生物硅誘導(dǎo)基因的表達(dá)有選擇性,可誘導(dǎo)破骨細(xì)胞抑制因子(OPG)的表達(dá),而不誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化因子(RANKL)的表達(dá)(Wienset al.,2010c),最終從成骨細(xì)胞中釋放出的OPG的數(shù)量增加,使得胞外區(qū)OPG與RANKL結(jié)合導(dǎo)致 RANKL不能與其受體 RANK(核因子-κB受體活化因子)結(jié)合,RANKL功能的消失抑制破骨細(xì)胞的分化和骨吸收,從而避免骨質(zhì)疏松癥的產(chǎn)生。下一步將進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其生物學(xué)效應(yīng)。此外,也會(huì)考慮聚合硅和其它無(wú)機(jī)聚合物,特別是無(wú)機(jī)多磷酸鹽的綜合作用(Leyhausenet al.,1998;Schr?deret al.,2000b; Lorenzet al,2001; Mülleret al.,2011)。

9 結(jié)語(yǔ)

硅質(zhì)生物體在自然條件下搭建納米到米量級(jí)范圍的形態(tài)各異的骨架結(jié)構(gòu),為人類(lèi)硅材料生產(chǎn)提供了全新的設(shè)計(jì)理念。近年來(lái),生物硅化過(guò)程中起關(guān)鍵作用的酶(海綿動(dòng)物中的硅蛋白 silicateins)和蛋白質(zhì)/多聚胺(硅藻中的親硅蛋白 silaffins)的發(fā)現(xiàn)將無(wú)機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)緊密相聯(lián),生物硅化機(jī)制和仿生應(yīng)用研究取得了初步進(jìn)展,更重要的是未來(lái)的前景相當(dāng)廣闊,特別是在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域的應(yīng)用將是一項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的工作。

我國(guó)是一個(gè)擁有13億人口的大國(guó),而且老年人占了相當(dāng)?shù)谋壤?據(jù)統(tǒng)計(jì)65%的人都患有齲齒,每年有大約45萬(wàn)骨移植手術(shù),因此,對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料,特別是具有優(yōu)良性能的生物醫(yī)學(xué)材料的需求是巨大的。

2010年在德國(guó)教育與研究部的支持下成立了德中合作實(shí)驗(yàn)室,為德中深入、持久的合作搭建了一個(gè)良好的平臺(tái)。中德雙方將在未來(lái)幾年內(nèi)繼續(xù)利用“綠色”的仿生技術(shù)研究制備具有優(yōu)良性能的硅基生物醫(yī)學(xué)材料/藥物,為人類(lèi)健康服務(wù)。

王曉紅,王毅民.2006.海綿骨針特性及其仿生學(xué)研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展,21(10): 1008-1013.

王曉紅,王毅民,滕云業(yè),張學(xué)華.2007.海綿動(dòng)物骨針研究簡(jiǎn)介[J].巖礦測(cè)試,26(5): 404-408.

MüLLER W E G,王曉紅,曾令森,SCHR?DER H C.2007.海綿動(dòng)物的演化意義及其生物硅的仿生應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào),52(12): 1372-1381.

Ref erences:

AIZENBERG J,SUNDER V C,YABLON A D,WEAVER J C,CHEN G.2004.Biological glass fibers: Correlation betweenoptical and structural properties[J].Proceedings of the National Academy of Sciences the United States of America,101(10): 3358-3363.

AIZENBERG J,SUNDER V C,YABLON A D,WEAVER J C,CHEN G.2004.Biological glass fibers: Correlation between optical and structural properties[J].Proceedings of the National Academy of Sciences the United States of America,101(10): 3358-3363.

CARLISLE E M.1972.Silicon: An essential element for the chick[J].Science,178: 619-621.

CAR LISLE E M.1986.Silicon as an essential trace element in animal nutrition[M].//Silicon Biochemistry.CIBA Foundation Symposium 121.New York: JohnWiley & Sons: 123-139.

CATTANEO-VIETTI R,BAVESTRELLO G,CERRANO C,SARà M,BENATTI U,GIOVINE M,GAINO E.1996.Optical fibres in an Antarctic sponge[J].Nature,383: 397-398.

CECCATTY de M P.1974.Coordination in sponges.The foundations of integration[J].American zoologist,14: 895-903.

CHAJ N,SHIMIZU K,ZHOU Y,CHRISTIANSEN S C,CHMELKA B F,STUCKY G D,MORSE D E.1999.Silicatein filaments and subunits from a marine sponge directthe polymerizalion of silica and silicones in vitro[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,96: 361-365.

DYCK K V,ROBBERECHT H,CAUWENBERGH R V,VLASLAER V V,DEELSTRA H.2000.Indication of silicon essentiality in humans[J].Biological Trace Element Research,77: 25-32.

GAINOE,SARH M.1994.Siliceous spicules ofTethya seychellensis(Porifera) support the growth of a green alga: A possible light conducting system[J].Marine Ecology Progress Series,108: 147-l51.

KRASKO A,LORENZ B,BATEL R,SCHR?DER H C,MüLLER I M,MüLLER W E G.2000.Expression of silicatein and collagen genes in the marine spongeSuberites domunculais controlled by silicate and myotrophin[J].European Journal of Biochemistry,267: 4878-4887.

LEVI C,BARTON J L,GUILLEMET C,LE BRAS E,LEHUEDE P.1989.A remarkably strong natural glassy rod: The anchoring spicule of theMonorhaphissponge[J].Journal of Materials Science Letters,8: 337-339.

LEYHAUSEN G,LORENZ B,ZHU H,GEURTSEN W,BOHNENSACK R,MüLLER WEG,SCHR?DER HC.1998.Inorganic polyphosphate in human osteoblast-like cells[J].Journal of Bone and Mineral Research,13: 803-812.

LEYS S P,CRONIN T W,DEGNAN B M,MARSHALL J N.2002.Spectral sensitivity in a sponge larva[J].Journal of Comparative Physiology,A188: 199-202.

LEYS S P,DEGNAN B M.2001.Cytological basis ofphotoresponsive behavior in a sponge larva[J].The Biological Bulletin,201: 323-338.

LOR ENZ B,SCHR?DER H C.2001.Mammalian intestinal alkaline phosphatase acts as highly active exopolyphosphatase[J].Biochimica et Biophysica Acta,1547: 254-261.

MAC KIE G O.1979.Is there a conduction system in sponges?[J].//LEVI C,BOURY-ESNAULT N (eds.) Biologie des Spongiaires.Paris: CNRS,145-151.

MAYER G,TREJO R,LARA-CURZIO E,RODRIGUEZ M,TRAN K,SONG H,MA W H.2005.Lessons for new classes of inorganic/organic composites from the spicules and skeleton of the sea sponge Euplectella aspergillum[J].Materials Research Society Symposia Proceedings,844,Y4.2.1–Y4.2.8.

MüLLER W E G,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,WANG X H,ECKERT C,KROPF K,LI J H,SCHR?DER H C.2008c.Identification of a silicatein(-related) protease in the giant spicules of the deep sea hexactinellid (Monorhaphis chuni)[J].The Journal of Experimental Biology,211: 300-309.

MüLLER W E G,BOREIKO A,WANG X H,BELIKOV S I,WIENS M,GREBENJUK V A,SCHLO?MACHER U,SCHR?DER H C.2007c.Silicateins,the major biosilica forming enzymes present in demosponges: Proteinanalysis and phylogenetic relationship[J].Gene,395: 62-71.

MüLLER W E G,BOREIKO A,WANG X H,KRASKO A,GEURTSEN W,CUSTóDIO M R,WINKLER T,LUKI?-BILELA L,LINK T,SCHR?DER H C.2007e.Morphogenetic activity of silica and bio-silica on the expression of genes controlling biomineralization using SaOS-2 cells[J].Calcified Tissue International,81: 382-393.

MüLLER W E G,ECKERT C,KROPF K,WANG X H,SCHLO?MACHER U,SECKERT C,WOLF S E,TREMEL W,SCHR?DER H C.2007b.Formation of the giant spicules of the deep sea hexactinellidMonorhaphis chuni(Schulze 1904):electron microscopical and biochemical studies[J].Cell &Tissue Research,329: 363-378.

MüLLER W E G,JOCHUM K P,STOLL B,WANG X H.2008a.Formation of giant spicule from quartz glass by the deep sea spongeMonorhaphis[J].Chemistry of Materials,20(14):4703-4711.

MüLLER W E G,KASUESKE M,WANG X H,SCHR?DER H C,WANG Y M,PISIGNANOC D,WIENS M.2009a.Luciferase a light source for the silica-based optical waveguides (spicules)in the demospongeSuberites domuncula[J].Cellular and Molecular Life Sciences,66: 537-552.

MüLLER W E G,LI J H,SCHR?DER H C,QIAO L,WANG X H.2007d.The unique skeleton of siliceous sponges (Porifera;Hexactinellida and Demospongiae) that evolved first from theUrmetazoa during the Proterozoic: A review[J].Biogeosciences,4: 219-232.

MüLLER W E G,SCHR?DER H C,LORENZ A,KRASKO A.2004.Silicatein-vermittelte Synthese von smorphen Silikaten und Siloxanen und ihre Verwendung.European patent,EP1320624,2004-09-22

MüLLER W E G,WANG X H,BELIKOV S I,TREMEL W,SCHLO?MACHER U,NATOLI A,BRANDT D,BOREIKO A,TAHIR M N,MüLLER I M,SCHR?DER H C.2007a.Formation of siliceous spicules in demosponges: exampleSuberites domuncula.In: B?UERLEIN E.(ed.)[M].Handbook of Biomineralization.Vol.1: Biological Aspects and Structure Formation.Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH& Co.KGaA,59-82.

MüLLER W E G,WANG X H,CUI F Z,JOCHUM K P,TREMEL W, BILL J,SCHR?DER H C,NATALIO F,SCHLO?MACHER U,WIENS M.2009b.Sponge spicules as blueprints for the biofabrication of inorganic-organic composites and biomaterials[J].Applied Microbiology and Biotechnology,83: 397-413.

MüLLER W E G,WANG X H,DIEHL-SEIFERT B,KROPF K,SCHLO?MACHER U,LIEBERWIRTH I,GLASSER G,WIENS M,SCHR?DER H C.2011.Inorganic polymeric phosphate/polyphosphate as an inducer of alkaline phosphatase and a modulator of intracellular Ca2+level in osteoblasts (SaOS-2 cells)in vitro[J].Acta Biomaterialia(in press).

MüLLER W E G,WANG X H,KROPF K,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,BRANDT D,SCHR?DER H C,WIENS M.2008d.Silicatein expression in the hexactinellidCrateromorpha meyeri: The lead marker gene restricted to siliceous sponges[J].Cell & Tissue Research,333: 339-351.

MüLLER W E G,WANG X H,KROPF K,USHIJIMA H,GEURTSEN W,ECKERT C,TAHIR M N,TREMEL W,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,LI J H,SCHR?DER H C.2008b.Bioorganic/inorganic hybrid composition of sponge spicules: Matrix of the giant spicules and of the comitalia of the deep sea hexactinellidMonorhaphis[J].The Journal of Structural Biology,161: 188-203.

MüLLER W E G,WANG X H,SCHR?DER H C,KORZHEV M,GREBENJUK V A,MARKL J S,JOCHUM K P,PISIGNANO D,WIENS M.2010.A cryptochrome-based photosensory system in the siliceous spongeSuberitesdomuncula(Demospongiae)[J].FEBS Journal,277: 1182-1201.

MüLLER W E G,WANG X H,ZENG L S,SCHR?DER H C.2007.Phylogenetic position of sponges in early metazoan evolution and bionic applications of siliceous sponge spicules[J].Chinese Science Bulletin,52(22): 3029-3040.

MüLLER W E G,WENDT K,GEPPERT C,WIENS M,REIBER A,SCHR?DER H C.2006.Novel photoreception system in sponges? Unique transmission properties of the stalk spicules from the hexactinellidHyalonema sieboldi[J].Biosensors and Bioelectronics,21: 1149-1155.

MüLLER W E G,WIENS M,ADELL T,GAMULIN V,SCHR?DER H C,MüLLER I M.2004.The Bauplan of the Urmetazoa: The basis of the genetic complexity of Metazoa using the siliceous sponges [Porifera] as living fossils[J].International Review of Cytology,235: 53-92.

MüLLER W E G.2005.Spatial and temporal expression patterns in animals[J].// MEYERS R A (Ed.).Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine,Vol.13,Weinheim:Wiley-VCH,269-309.

SANDFORD F.2003.Physical and chemical analysis of the siliceous skeleton in six sponges of two groups (Demospongiae and Hexactinellida)[J].Microscopy Research and Technique,62: 336-355.

SCHR?DER H C,BOREIKO A,KORZHEV M,TAHIR M N,TREMEL W,ECKERT C,USHIJIMA H,MüLLER I M,MüLLER W E G.2006.Co-Expression and functional interaction of silicatein with galectin: Matrix-guided formation of siliceous spicules in the marine demospongeSuberites domuncula[J].The Journal of Biological Chemistry,281: 12001-12009.

SCHR?DER H C,BOREJKO A,KRASKO A,REIBER A,SCHWERTNER H,MüLLER W E G.2005.Mineralization of SaOS-2 cells on enzymatically (Silicatein) modified bioactive osteoblast-stimulating surfaces[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B- Applied Biomaterials,75B: 387-392.

SCHR?DER H C,KURZ L,MüLLER W E G,LORENZ B.2000b.Polyphosphate in bone[J].Biochemistry (Moscow),65:296-303.

SCHULZE F E.1904.Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Tiefsee-Expedition auf dem Dampfer “Valdivia” 1898-1899[M].Stuttgart: Fischer.

STR UYF E,CONLEY D J.2009.Silica: an essential nutrient in wetland biogeochemistry[J].Frontiers in Ecology and the Environment,7: 88-94.

SUN DAR V C,YABLON AD,GRAZUL J L,ILAN M,AIZENBERG J.2003.Fibre-optical features of a glass sponge[J].Nature,424(21): 899-900.

TAB ACHNICK K R.2002.Family Monorhaphididae Ijima,1927[M].// HOOPER J N A,VAN SOEST R (Eds.).Systema Porifera: A Guide to the Classification of Sponges.New York:Kluwer Academic,1264-1266.

WANG X H,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,BRANDT D,SCHR?DER H C,LI J H,KAANDORP J A,G?TZ H,DUSCHNER H,MüLLER W E G.2008.Axial growth ofhexactinellid spicules: formation of cone-like structural units in the giant basal spicules of the hexactinellidMonorhaphis[J].Journal of Structural Biology,164: 270-280.

WANG X H,L J H,QIAO L,SCHR?DER H C,ECKERT C,KROPF K,WANG Y M,FENG Q L,MüLLER W E G.2007.Structure and characteristics of giant spicules of the deep sea hexactinellid sponges of the genusMonorhaphis(Hexactinellida: Amphidiscosida: Monorhaphididae)[J].Acta Zoologica Sinica,53(3): 557-569.

WANG X H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2009a.Giant siliceous spicules from the deep-sea glass spongeMonorhaphischuni.In: JEON K W (ed.)[J].International Review of Cell and Molecular Biology.273: 69-115.

WANG X H,ZHANG X H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2009b.Giant basal spicule from the deep-sea glass spongeMonorhaphis chuni: synthesis of this largest bio-silica structure on Earth by silicatein[J].Frontiers of Materials Science in China,3: 226-240.

WANG Xiao-hong,WANG Yi-min,TENG Yun-ye,ZHANG Xue-hua.2007.An Brief Introduction on Sponge Spicule Study[J].Rock and Mineral Analysis,26(5): 404-408(in Chinese with English abstract).

WANG Xiao-hong,WANG Yi-min.2006.An Introduction to the study on natural characteristics of sponge spicules and bionic applications[J]. Advances in Earth Science, 21(10):1008-1013(in Chinese with English abstract).

WIENS M,WANG X H,NATALIO F,SCHR?DER H C,SCHLO?MACHER U,WANG S F,KORZHEV M,GEURTSEN W,MüLLER W E G.2010b.Bioinspired fabrication of bio-silica-based bone substitution materials[J].Advanced Engineering Materials,12: B438-B450.

WIENS M,WANG X H,SCHLO?MACHER U,LIEBERWIRTH I,GLASSER G,USHIJIMA H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2010a.Osteogenic potential of biosilica on human osteoblast-like (SaOS-2) cells[J].Calcified Tissue International,87:513-524.

WIENS M,WANG X H,SCHR?DER H C,KOLB U,SCHLO?MACHERU,USHIJIMA H,MüLLER W E G.2010c.The role of biosilica in the osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells[J].Biomaterials,31: 7716-7725.

Advances in Research on Siliceous Sponge Spicules: Novel Insight into the Understanding of Biomineralization Mechanisms and Bionic Applications

WANG Xiao-hong1),WANG Shun-feng1),GAN Lu1),Ute Schlo?acher2),ZHOU Feng2),Klaus P.Jochum3),Matthias Wiens2),Heinz C.Schr?der2),Werner E.G.Müller2)
1)National Research Center for Geoanalysis,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037;
2)Medical Center of the University of Mainz,Mainz,Germany55128;
3)Max-Planck Institute for Chemistry,Mainz,Germany55020

Siliceous sponges are the simplest and oldest multi-cellular animals on the Earth.They achieved a perfect technical blueprint during their million years of evolution.A new energy-saving and environmentally friendly technology has been developed by nature for human applications allowing the production of novel bio-inorganic mineral materials using nano-biotechnological approaches.There is a wide application prospect in the fields of optical fibers,microelectronics,biomedical materials and some further areas.Monorhaphis chunilives in the deep sea over 1000 m in depth.Its giant basal spicule is growing to a length of 3 m and is therefore the largest bio-silica structure on the Earth.It is a highly suitable model for the study of bio-silicification mechanisms and for their bionic applications.In this paper,the authors systematically summarize the research progress in these giant basal spicules on the following topics: structure,composition,mechanical properties,optophysical properties,biochemical properties and molecular biological basis,biomineralization mechanism as well as bionic applications in biomedicine.

Sponge; Hexactinellida; giant basal spicule; bio-silica; silicatein; biosilicification

Q915.812; Q915.4; Q919 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A doi: 10.3975/cagsb.2011.02.01

本文由科技部國(guó)際合作項(xiàng)目“硅質(zhì)海綿骨針礦化機(jī)制及仿生研究”(編號(hào): 2008DFA00980)、國(guó)土資源部公益性專(zhuān)項(xiàng)“生物-硅化仿生新礦物材料應(yīng)用研究”(編號(hào): 201011005-6)、德國(guó)教育與研究部德中合作實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(編號(hào): CHN 09/1AP)、歐盟研究委員會(huì)(ERC)高級(jí)領(lǐng)軍人才項(xiàng)目(編號(hào): 268476 BIOSILICA; Müller教授為受助者)聯(lián)合資助。獲中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院2010年度十大科技進(jìn)展第三名。

2011-03-07; 改回日期: 2011-03-09。責(zé)任編輯: 魏樂(lè)軍。

王曉紅,女,1969年生。研究員,博士。長(zhǎng)期從事海洋地球化學(xué)分析技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制工作,近年來(lái)與德國(guó)美因茨大學(xué)Müller教授研究小組合作開(kāi)展硅質(zhì)海綿骨針礦化機(jī)制與仿生應(yīng)用研究工作。通訊地址: 100037,北京市西城區(qū)百萬(wàn)莊大街26號(hào)。電話: 010-68999596。E-mail: wxh0408@hotmail.com。