Science：玩转配位化学与微流控合成的另类“大师”

贻贝，也就是吃货们熟悉的海虹、淡菜、青口，是一种广泛分布于沿海地区的青黑色贝类。为了免受捕食者的困扰，贻贝通常聚集并粘附在海边滑溜溜的礁石上，任凭风吹雨打海浪拍击而岿然不动。除了礁石，肆意增殖的贻贝还喜欢附着在船底增加阻力，甚至还能堵塞管道威胁海边核电站的正常运行。贻贝强大的附着力令几乎所有人都头疼不已，除了那些研究高性能水下粘合剂的化学家们。

图1. 附着在礁石、管道里的贻贝及其用于附着的足丝。图片来源于网络

贻贝超强附着力的秘密武器就是身下的“足丝”。关于足丝的研究可追溯到半个世纪前，研究人员们发现足丝是一种蛋白质-金属配位复合物，含有高浓度的3,4-二羟基苯丙氨酸（DOPA），其原料——液态原蛋白是由贝足内的可流动的微米级分泌囊泡产生，短短几分钟即可通过纵向微导管（LDs）内的纤毛运输分泌出来。

图2. （A）足丝蛋白，（B）贻贝的贝足，（C）贝足的CT解剖图像可以看到蓝色的LD微通道网络与（D）微通道LD的横切面。图片来源：Science

足丝蛋白之所以粘附牢固是因为贻贝利用了铁、钒离子形成具有强大粘合力的DOPA-金属配位键。但由于贻贝坚固的外壳，这种高效粘合剂怎样在贻贝体内合成，在微导管中运输时金属离子怎样被引入配位……这些问题我们还不得而知。这成为了化学家们研制高性能仿生水下粘合剂路上巨大的绊脚石。

近期Science 的一篇论文，刊登了加拿大麦吉尔大学Matthew J. Harrington等人的研究成果，他们阐述了贻贝足丝蛋白的形成与分泌过程，并发现了金属离子如何引入并成键，揭开了这个多年的秘密。仔细看下来，贻贝堪称玩转配位化学与微流控合成的大师。

图3. （E）、（G）分别为微孔道LD纵切面的共焦拉曼（后期上色）和STEM图像（细胞染色），可以看到绿色蛋白囊泡、红色细胞核、蓝色纤毛、粉色金属储存囊、黄色线粒体等，颜色分别对应（J）中的拉曼谱线。图片来源：Science

第一步是研究金属离子的储存位置和分泌方式。研究人员首先使用微型X射线荧光（mXRF）检查了贝足组织切片，可以明确地发现纵向管道LDs周围分布着大量的铁和钒（图4B）。而通过具有更高空间分辨率的STEM-EDS在纵向管道LDs周围发现了亚微米颗粒，即储存金属的微囊（metal storage particle, MSP），图3中也可观察到金属储存微囊在组织中的分布。由于用共聚焦拉曼光谱检测到DOPA-金属配位所特有的拉曼共振峰（图4E），表明微囊中的金属很可能与有机成分有关，以双齿配位的方式与儿茶酚基配位。

图4. 金属微囊泡的形态与内部金属的分布及DOPA-金属配位所特有的拉曼共振峰。图片来源：Science

纵向管道LDs组成了一个相互连接的复杂微通道网络，这个大型“加工厂”周围堆积着生产足丝所需的原材料——原蛋白质和金属，并配备了将“货物”运送出去的纤毛。研究人员冻结了纵向管道内足丝蛋白的分泌过程，通过组织成像学观察到，足丝蛋白囊泡被分泌到微管道中并不断凝聚（图5A）。图5B和下面的动图则显示了许多囊泡通过纤毛分泌并在腔内混合在一起的过程。

图5. 纵向管道中足丝蛋白囊泡分泌过程的组织染色切片与3D重建图。图片来源：Science

图6的拉曼光谱成像显示，在分泌的早期阶段，微通道导管内凝聚的蛋白具有均匀的成分，其光谱与囊泡中观察到的几乎相同，而金属微囊泡则还在周围组织中（图6AI）；到了分泌后期，在接近分泌出口的位置，金属微囊泡也被分泌到微导管腔内，并与蛋白质混合（图6AII），但也仅仅是混合在一起，还未发生配位键和；最后，在分泌出口位置，通过拉曼光谱检测到大量密集的DOPA-金属配位（图6AIII），而不均匀的分布表明金属离子在金属微囊泡以及蛋白质中不断发生混合和扩散（图6B）。

图6. 微导管内金属微囊泡的分泌过程。图片来源：Science

金属离子与蛋白原液的混合过程也是如此的巧妙。金属微囊泡中的儿茶酚与蛋白-金属结合强度受到微导管内物理化学条件的影响（如pH值、盐含量，或者可能是儿茶酚的化学差异）。通常，蛋白原液的储存和分泌是在pH=2的酸性环境下发生的，此时金属离子通过儿茶酚的配位亲和力是很弱的，从而允许金属离子在纤毛的作用下在蛋白原液中均匀扩散。而DOPA的双齿螯合作用通常只在pH值增加时发生。随着分泌的进行，当pH值增加到海水的微碱性（pH≈8）时，分散的金属离子被富含DOPA的足丝蛋白强烈螯合，形成粘性配位键，从而机械强化整体足丝结构。

海水中的可溶性铁和钒的浓度极低，在1-50 nM之间，而贻贝作为一种滤食性动物，其软组织和其附体中富集了广泛的水体金属（包括Ag、Cd、Cr、Cu、Fe、Ni、Pb、Ti、V和Zn等），所以自20世纪70年代以来，贻贝一直被作为重金属污染标志生物。

纵观整个生物学，生理上有价值的金属离子（如铁、锌、铜）几乎总是与生物大分子（如铁蛋白、转铁蛋白、金属硫蛋白等）紧密结合在一起。而金属钒的发现非常值得注意，因为它很少在生物学中发挥功能作用，特别是作为材料的交联元素。而最近有研究表明，贻贝可能优先使用DOPA-V交联机制来机械稳定体外保护层。而且体外纳米力学研究表明，DOPA-V交联可以提供比DOPA-Fe大两倍的粘合力。

简而言之，贝类组织中金属微囊泡的发现解决了一个长期存在的谜团。首先贝类将海水中吸收的铁和钒离子富集储存在细胞内与含儿茶酚分子复合的金属储存囊中，在足丝形成过程中，分别储存有浓缩蛋白原液和金属离子的两类分泌囊在微流通道状的导管网络中混合，并在新生的旁路内形成蛋白质-金属键。金属配位提供了强大的粘合力，促进流体足丝蛋白在海水条件下固化成固体粘合剂。整个过程堪称微流控合成的经典案例。

这些发现对开发下一代金属聚合物粘合剂有着深远的影响，金属离子的逐步释放混合过程与pH值改变引发的液固相变可能会促进新型环境友好3D打印技术的发展，为液体前体自发形成分层多孔固体过程提供了全新的物理化学思路。

PS：除了能发顶刊，笔者觉得在这种课题组是不是可以天天吃海鲜……

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Microfluidic-like fabrication of metal ion–cured bioadhesives by mussels

Tobias Priemel, Gurveer Palia, Frank Förste, Franziska Jehle, Sanja Sviben, Ioanna Mantouvalou, Paul Zaslansky, Luca Bertinetti, Matthew J. Harrington

Science, 2021, 374, 206-211, DOI: 10.1126/science.abi9702

（本文由Silas供稿）