
斑马贻贝是淡水生态系统中最严重的入侵物种之一。它们用极具粘性的大丝线把自己绑在船上,周游世界,在新的地方建立自己的地位,在那里扼杀本地物种。现在,新的研究表明,在贻贝中,Dreissena大丝线的结构是独特的,这可能是它们入侵的原因。
马修·哈林顿(Matthew Harrington)是蒙特利尔麦吉尔大学(McGill University)的化学家,自研究生院以来,他一直在研究海洋贻贝粘附蛋白及其在生物灵感材料中的潜在应用。然而,直到来到麦吉尔大学,他才开始研究斑马贻贝,“因为我们可以直接去圣劳伦斯河把它们捞出来,”他说。在不同的贻贝物种中,足丝的功能是相同的,但它们的结构不同。哈林顿解释说,有些是由胶原蛋白和其他排列成螺旋状的球状蛋白质组成的。然而,哈林顿立刻意识到斑马贻贝的线是独一无二的。“很明显,这既不是球状的,也不是胶原蛋白,而是一种全新的生化结构。”
哈林顿的研究小组利用光谱学、x射线衍射和蛋白质组学对丝线的结构和组成进行了深入研究,发现“一个β片蛋白质结构堆叠在一起,形成了这些小晶体”。虽然这种结构到目前为止是贻贝独有的,但它确实类似于另一种以强度和多功能性而闻名的生物分子——蜘蛛丝。
普渡大学(Purdue University)研究海洋生物材料的化学家乔纳森·威尔克斯(Jonathan Wilkers)没有参与这项研究,他解释说:“晶体β片蛋白经常出现在需要高强度的地方,比如蜘蛛的拖丝。”他补充说,蛋白质基材料的特性通常有助于它们的功能。威尔克斯认为,这里描述的结构细节“可能与动物所遭受的力学最相关”。具体来说,就是它们在面对诸如掠食者或风暴等威胁时,能够牢固地附着在表面上的能力。
哈林顿说,这正是他们成为问题的原因。他说:“这种能够在各种表面上产生牢固而多样的附着的能力,使贻贝成为主要的生物粘合剂——它们粘在任何地方。”了解结构-功能关系可以找到防止这种情况发生的方法。他说:“我们对附着策略了解得越多,我们就越能更好地应对贻贝的生物污染。”他指的是对海洋贻贝附着的研究,这种附着会导致贻贝无法附着在表面上。确认斑马贻贝粗丝线的结构-功能关系的具体测试正在进行中,但哈林顿的小组还有另外两个发现。
大丝线分泌成α-螺旋状,然后加工成β-片状。“这是两种完全不同的蛋白质组合,”哈林顿指出。先前的研究表明,α-螺旋可以通过拉伸变成β-薄片。这通常是一个可逆的过程,但斑马贻贝的线程不是这样。通过观察蛋白质的氨基酸序列,他们发现了异常高的氨基酸天冬酰胺,哈林顿认为这可能在永久转变为β-片的过程中发挥了作用。
多伦多大学研究斑马贻贝的博士候选人Angelico Obille认为,这项新工作“对理解贻贝的足跖骨是一个有价值的补充,因为它有助于拓宽贻贝足跖骨的作用视角——它不仅仅是一种粘性物质”。然而,他补充说,“关于足跖骨还有很多需要了解的,特别是不同的蛋白质如何相互作用形成内聚结构,以及翻译后修饰和分泌后加工在最终结构中的作用。”哈林顿也专注于加工,因为这可以提高合成丝的产量。他说:“目前制造人造蜘蛛丝需要付出很大的努力,而且加工过程相当密集。”然而,哈林顿认为,贻贝蛋白质可能只需要一个机械力。