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浙大教授发现控制生物换壳的分子“开关”

发布时间:2009-12-08来源:浙大新闻办作者:周炜浏览次数:36728



    “金蝉脱壳”是人们熟知的一种生命现象,自然界中许多动物都有这种换壳的本领。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、浙江大学化学系教授唐睿康带领团队的最新研究发现,这种“换壳”过程是受一个“开关”控制的:在“关”的信号下,矿物在体内储存并为新壳准备,而当“开”的信号一出现,新壳就快速生成。这一发现为科学家进一步研究仿生控制功能提供了一个样本,让生物材料的制备变得更加可控。
    
    相关论文《Magnesium-aspartate-based Crystallization Switch Inspired from Shell Molt of Crustacean》(受甲壳动物换壳启发基于镁-天冬氨酸的结晶开关)发表在12月7日《美国科学院院报》上。
    
    课题组选取了日常环境中常见的甲壳动物——卷甲虫(俗称“西瓜虫”)作为生物模型。卷甲虫一生要经历数次换壳。此前的研究发现,在换壳前体内的参与成壳的碳酸钙处于一种非晶态,而在镁离子的作用下,这些不稳定的非晶态的碳酸钙保持在一种“亚稳定状态”,从而可以作为矿化前体在生物体内富集并存贮,为新壳的快速生成作好物质准备,这个生物准备期要持续2周左右。但是,生物怎么能够精确地启动换壳程序,使矿物从“亚稳定状态”在短时间内完成结晶,对科学家来说是一个谜。
    
    唐睿康的课题组找到了这个“开关”。他们对处于换壳时期的卷甲虫进行了研究,发现富含酸性氨基酸如天冬氨酸的蛋白质是另一个关键的信号。在它的作用下,卷甲虫立即启动换壳过程,促使处于准备状态的矿物质前体迅速走向“稳定状态”从而形成新壳,在自然状态下,这个过程在短短的数小时之内完成。
    
    “事实上,镁离子和酸性蛋白质共同构成了一个生物界中‘开关’。”唐睿康解释说,动物的换壳过程可以理解为一个“结晶”的过程,矿物质在这个过程中经历了非稳定态、亚稳定态和稳定态。镁离子是一个“关”的信号,暂时关闭了结晶过程,延长了碳酸钙非结晶状态;而酸性蛋白是一个“开”的信号,它的出现结束了矿物的非结晶状态,促发了矿物质的迅速结晶。课题组通过镁和酸性氨基酸在实验室里成功地演示了这个结晶开关,还证明了这一原理还存在于磷酸钙体系,具有普适性。
    
    唐睿康说,人类在制备生物材料时可以从中获得灵感,制造出一种“仿生开关”,这样,生物材料的合成就可以变得更加可控,制造出各种结构、形态和功能的生物材料。这样的“开关”原理也可以进一步发展用于控制人体内的生理性矿化过程,如骨、牙的形成及病理性矿化如结石、血管钙化等。
    
    唐睿康教授长期以来从事生物矿化方面的研究,曾在2008年发明了一种给细胞“穿衣服”的方法,给一个酵母菌“穿”上了一个“壳”。“那个壳是从无到有的过程,而现在的研究发现,则为选择穿什么衣服,怎么穿得更漂亮找到了方法。”生物矿化是指在生物体内形成矿物质也就是生物矿物的过程,人体中典型的生物矿化过程包括了骨骼、牙齿等生物硬组织的形成。自然界中常见的生物矿物有珊瑚、贝壳、珍珠、鸡蛋壳等。
    
    (周炜)