Science | 海洋生物奇迹结构大揭秘—贻贝怎样用血清素编织逃生之网？
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贻贝，这种在沿海地区普遍分布的海产食品，不仅是美味的佳肴，更是大自然神奇力量的缩影。别名淡菜、青口或海虹，贻贝以其独特的生存方式吸引着科学家们的目光。尽管海洋环境中常有风浪肆虐、海鸟和海洋生物间的捕食斗争无休无止，贻贝却能稳固地附着在滑溜溜的湿石上，仿佛一个从容不迫的旁观者，静观风起云涌，波涛汹涌。
这种不凡的黏附能力源自贻贝体内的一个奇特结构——“足丝”(图1)。科学家们发现，这些足丝不仅坚韧，还具有极高的弹性和粘附性，这使得贻贝即便在狂风巨浪中也能牢牢地抓住岩石不放。
图 1 贻贝的足丝结构
赫伯特·韦特，一位在上世纪七十年代还是哈佛大学研究生的科学家，首次揭开了贻贝神秘黏附力的面纱。他在康乃狄克州海岸线上收集了这些独特的海洋生物，并将它们带回实验室进行深入研究。韦特着重分析了贻贝足丝——一种粘性线状物——的化学成分，并发现了其中含有一种罕见的氨基酸：左旋多巴（L-dopa，也称为3,4-二羟苯丙氨酸）。这种分子不仅在植物和人体中自然产生，作为多巴胺的前体，还被用于治疗帕金森氏症。韦特的研究揭示了左旋多巴是贻贝能够牢固粘附在岩石上的关键因素。这种分子的邻苯二酚结构包含了大量的苯环和酚羟基。酚羟基能与组织表面形成氢键，而苯环通过Π-Π相互作用紧密结合。此外，阳离子与Π键的相互作用进一步增强了贻贝的黏附强度。正是这些相互作用，使得含有邻苯二酚结构的DOPA能与表面形成强力黏附1(图2)。更进一步的研究还发现，足丝蛋白中富含赖氨酸，这种带正电的氨基酸可以与表面的负电荷产生静电相互作用。赖氨酸的正电荷有助于去除表面的水合层，让DOPA更容易与表面结合。当DOPA和赖氨酸在足丝蛋白中相邻时，这两种氨基酸的协同作用显著提升了足丝蛋白与表面的整体黏附力2。
图2 DOPA和组织表面的相互作用示意图
图3 金属-DOPA相互作用的微流控体系
科学家们在研究贻贝的神奇黏附机制时还发现了一个关键现象：贻贝分泌的原蛋白原本是液态的，但经过与金属离子特别是DOPA（3,4-二羟基苯丙氨酸）的相互作用后，它们发生相转变，从液态变为固态，显著增强了黏附蛋白的机械强度。这不仅揭示了金属-DOPA相互作用在蛋白相变中的作用，还表明这种作用是在贻贝体外发生的。那么，为何贻贝体内丰富的金属离子和DOPA在体内没有形成金属-DOPA配位键，而是在分泌到体外后才发生作用呢？
这个谜题得到了加拿大麦吉尔大学Matthew J. Harrington副教授课题组的研究解答，他们的发现于2021年在《Science》杂志上发表3。通过亚细胞水平的研究，他们发现贻贝体内的原蛋白和金属离子是分开储存的。在贻贝足部的微米级通道中，聚集的物质汇集形成一种胶水状物质。这些小囊（囊泡）中的浓缩蛋白质被分泌到通道中，并与吸收自海水的金属离子（铁和钒）混合。这些金属离子也储存在小囊泡中，并在一个精密控制的过程中缓慢释放，最终将流体蛋白质固化成坚固的胶水。那么，为什么这些金属离子和DOPA在贻贝体内混合时没有发生相互作用呢？原因在于这个过程受到微导管内理化条件的影响。在贻贝体内，这些混合物处于强酸性环境（pH≈2），在这种条件下，金属离子与DOPA的配位作用极为微弱，二者只是简单混合，而不会发生强烈的相互作用。然而，当它们被传输到分泌出口并分泌到体外时，环境由体内的酸性转变为海水的微碱性（pH≈8），促进了金属离子和DOPA内邻苯二酚的相互作用，从而形成金属-DOPA配位键，贻贝体内具有一个微流控（图4）似的控制系统掌控着这一过程从而实现了其卓越的黏附性能。
图4 贻贝体内的微流控管道
非常有趣的是，贻贝通过足丝（Byssus）和粘附蛋白牢固地附着在岩石上，但在恶劣环境中能迅速丢弃足丝，脱离岩石并寻找新的栖息地。足丝可以在数小时内再生并重新附着。强大的粘附力与快速可逆的脱落似乎是矛盾的，那么，贻贝的足丝是如何做到粘附与脱落相统一的呢？Matthew J. Harrington团队于2023年11月16日在《Science》杂志上发表的论文《A strong quick-release biointerface in mussels mediated by serotonergic cilia-based adhesion》揭示了这一机制。研究发现，这种能力源于纤毛的振动和足丝根部与贻贝足部组织间的机械相互作用变化，受到神经递质的调控。这种生物界面对非生命材料与活组织间的动态连接提供了宝贵的灵感。
图5 贻贝茎根微尺度分层结构
为了更好地理解茎根生物界面的矛盾高强度和快速释放，研究者分析了足部发生区域的分层结构——茎根形成和锚定的软组织（图5，A和B）。对发生器区域的相差增强显微计算机断层扫描 （PCE-μCT） 图像进行计算重建和分割，以生成具有微米级分辨率的茎-发生器生物界面的三维 （3D） 图像（图 5E ）。重构的图像显示，在发生器区域内，茎根由40多个单独的薄片组成，每个薄片的厚度为2至3μm，具有特征性的波浪形形态（图5E）。PCE-μCT图像还显示，这些薄片之间的空间充满了发生器的软组织，但在发生器出口处被紧密压缩，形成茎的外部圆柱形区域，这一发现强调了活动与非活动组织之间的连续性。此外，组织学冷冻切片和Masson's三色染色进一步揭示了这些结构中的胶原与非胶原蛋白质组成，以及它们如何在生物界面中协同作用，Masson's三色染色用于定位胶原（蓝色）和非胶原（红色）蛋白质成分。在组织学切片中，与发生器交叉的层状片的波浪形形态很明显，这与 PCE-μCT 和早期的超微结构研究一致（图 5F）。在较高的放大倍率下（图5G），薄片具有蓝色染色的核心，表明茎组织主要是胶原性质。两个薄片之间的区域，称为隔膜，也对胶原蛋白呈阳性（蓝色），整个胶原蛋白核呈紫色染色，表明其类似ECM的性质。薄片和隔膜ECM被一个薄的红色染色区域隔开，该区域具有羽毛状形态（图5G），这与纤毛一致。胶原隔膜ECM直接连接到发生器底部的红色染色比脓牵开肌，该肌肉可以对整个腓肌施加拉力（图5，F和H），显示脓肌和肌肉组织之间的连续性。
图6 茎发生器生物界面的结构和组成分析
发生器组织的扫描透射电子显微镜（STEM）成像提供了薄片内部结构和纤毛-薄片界面的更多细节（图6，D 至 G）。尽管薄片在FIB-SEM中看起来是均匀的，但STEM的更高分辨率揭示了具有纤维核心的异质结构和与纤毛直接接触的更无定形的外部区域。根据微管的特征性组织，可以假设纤毛是运动的，形成所谓的9+2轴突，其中九个微管双峰围绕着纤毛中心的两个单微管。STEM图像表明纤毛被紧紧地压入薄片的外层，这与FIB-SEM成像一致，表明薄片表面相对柔软（图6E），而分泌囊泡被压在纤毛之间，准备分泌（图6F）。周围的隔膜ECM表现出随机取向的薄纤维，具有特征性条带，根据组织学染色推测这些原纤维是胶原的（图6G）。发生器内的共聚焦拉曼光谱成像揭示了隔膜和薄片之间生物界面的进一步成分细节（图6，H至J）。从茎和薄片获得的拉曼光谱与从近端旁线获得的光谱相似，证实了主要是胶原组成，而从隔膜 ECM 区域获得的光谱与I 型胶原的光谱高度相似，与小鼠尾部肌腱对照组相比。
图7 纤毛和神经递质在茎释放中的作用
贻贝中鳃和消化系统中运动纤毛的跳动先前已被证明在体外分别通过添加血清素和多巴胺而上调和下调。为了测试纤毛跳动运动是否会影响茎的释放，研究者以剂量依赖性方式独立地将血清素和多巴胺注射到茎和茎之间的开放间隙中，而不干扰组织，并通过机械测试测量去除足丝的茎的最大力（图 7A）。注射 200 μM 5-羟色胺后，用很小的力可以很容易地去除茎，以至于无法测量，因为将足丝连接到拉伸试验机的行为导致茎释放（图 7A）。血清素显示出剂量依赖性效应，较高的拔出力与较低的血清素浓度相关。相比之下，在70μM多巴胺下，多巴胺注射显着增加了去除茎的力至20.1±5.9N（相比之下，仅注入水的对照组为6.7±1.7N）。多巴胺也显示出明显的剂量依赖性（图7A），但在200μM多巴胺时，最大力大幅下降至3.2±0.3N。进一步的检查表明，在这些样本中，故障的发生不是因为茎被释放，而是因为整个发生器破裂并从下面的肌肉组织上拉开——尽管茎-发生器生物界面仍然完好无损。这可能表明与部分纤毛运动相关的重要增韧作用。这些发现强烈暗示神经递质调节的纤毛运动在控制活组织和非活组织之间的机械相互作用方面，表明释放过程是血清素能的。为了进一步探索这一假设，研究者从发生器中解剖组织，并在微分干涉对比 （DIC） 模式下使用光学显微镜来可视化和量化纤毛跳动速度（图 7B）。新鲜解剖的组织在解剖后表现出长达 1 小时的纤毛运动，这与先前的报道一致，即解剖可导致贻贝中 5-羟色胺通路的激活。使用图像跟踪软件（图7B和C）记录纤毛最大速度，观察到在体外向组织中添加5-羟色胺导致跳动纤毛数量显着增加和跳动速度增加，而添加metergoline（一种非选择性5-羟色胺受体拮抗剂）—导致检测到的跳动纤毛数量和跳动速度同时减少（图 7C）。随后第二次添加血清素再次增加了纤毛跳动的数量和跳动速度，有力地支持了血清素途径在茎释放过程中的作用。
关键问题不在于为什么茎根生物界面如此强大，而在于如何按需释放而不会出现故障。为了脱离表面，壁虎通过回滚脚趾垫来改变施加力的角度，从而将压力集中在较少的单个粘合上，从而促成快速释放。也许类似于壁虎的脚趾滚动，研究者观察到，在适当的神经化学触发下，茎根生物界面处的运动纤毛可以相对于层状表面主动移动（图7 F和G）。这种振荡运动显然破坏了纤毛和薄片表面之间的粘附相互作用，使整个茎根在亚临界力下释放（图7G）。据推测，纤毛移动的数量和/或它们跳动的速度可以调节去除纤毛所需的总力，使观察到的血清素和多巴胺剂量依赖性拉出力（图 7A、F 和 G），并允许贻贝在不损坏内部组织的情况下抛弃它们的纤毛。
与这一假设一致，已经表明 Mytilus edulis足和鳃组织上皮衬里的纤毛受多巴胺能和5-羟色胺能神经调节，5-羟色胺具有兴奋作用，多巴胺对睫状体跳动具有抑制作用。因此，可以合理地假设发生器中的血清素能和多巴胺能神经纤维包括一个复杂的反馈系统，用于调节生物界面的强度和释放。因此，我们假设贻贝可以将有关其环境的感觉信息转化为神经化学信号，该信号被转化为增加的纤毛跳动，从而能够释放贻贝并增加活动能力，从而提高贻贝在不利条件下的存活率。再加上纤毛跳动的增加，由牵开肌施加的力可能足以诱导自发释放。事实上，据报道，贻贝流动性的增加是对许多不同的环境因素的反应，包括高温，捕食者的化学线索，波浪暴露，甚至基质化学。这意味着一个复杂的感觉系统，可以将物理、化学和机械刺激转化为发生器中的特定神经化学信号。尽管介导的细胞机制仍在阐明中，这篇文章提供了一个有效的快速释放机制的例子，用于将活组织与非活体材料连接起来，这在人类技术中是没有的。
在同期的Science也有着对这篇文章的评论文章4，据估计，大约有57亿根纤毛与足丝根部接触，如果施加的力分布均匀，每根纤毛将承受约3.5 nN的作用力。这种设计并非独一无二，类似的机制在生物界中也有所见，比如，壁虎的趾垫上也排列着数十亿个微小的“吸盘”，每个“吸盘”能承受2~16 nN的摩擦力，足以支撑壁虎在墙上爬行。在不同的剥离角度下，粘附力可以相差几个数量级，从而实现粘附与快速脱落的可逆性。再比如，蜥蜴在受到威胁时，往往采取断尾求生的策略，其尾部也存在类似的由肌肉束组成的“插座”结构，可以在神经递质的诱导下自行断开。龙虾和螃蟹受伤后，爪子也会发生自然脱落，其中是否存在着类似的机制也未可知。或许这种可逆的动态生物界面也可以借鉴到人机系统、植入医疗器械等领域的设计和研发中。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126 /science.adi7401参考文献
参考文献
[1] N. Pandey, L. F. Soto-Garcia, J. Liao, P. Zimmern, K. T. Nguyen, Y. Hong, Biomater Sci., 8, 1240-1255(2020).
[2] Li, Y., Cheng, J., Delparastan, P. et al. Molecular design principles of Lysine-DOPA wet adhesion. Nat Commun 11, 3895 (2020).
[3] Tobias Priemel et al. ,Microfluidic-like fabrication of metal ion–cured bioadhesives by mussels.Science374,206-211(2021).
[4] A dynamic biointerface controls mussel adhesion, Volume: 382, Issue: 6672, Pages: 763-764.
供稿 | 谭佳鑫
审稿 | 肖媛
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
微信号：FRCBS-THU
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