常去海邊旅游，常逛海鮮市場，喜歡新奇食物的人一定見識過這種長相奇特的海洋動物—藤壺。藤壺僅指甲蓋大小，是一種由堅硬鈣質(zhì)外殼包圍起來、營固著生活的節(jié)肢動物，它能分泌主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成的生物膠水—藤壺膠，使其牢固附著在海邊的礁石、船體、貝殼等物體上，形成大片的種群。某些特殊的藤壺還是餐桌上的美味佳肴，因其捕撈艱難，素有“來自地獄的海鮮”之稱（圖1）。
藤壺依賴藤壺膠牢固附著在海洋艦船表面，引起航行阻力加大、能耗增多、腐蝕加劇等系列問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的海洋污損和經(jīng)濟損失。因此，抑制藤壺的表面附著是海洋防污研究的重要目標(biāo)，而藤壺附著情況也是室內(nèi)評價材料防污性能的指標(biāo)之一。反過來，藤壺分泌的藤壺膠具有在水下交聯(lián)固化實現(xiàn)牢固粘接的本領(lǐng)，是一種優(yōu)越的天然材料，為仿生開發(fā)水下膠和潮濕環(huán)境的生物醫(yī)用膠提供了很好的靈感。無論是抑制藤壺附著進(jìn)行防污材料的開發(fā)，還是模擬藤壺附著開展仿生膠的研究，對藤壺附著機制的解析至關(guān)重要。
近年來，圍繞上述兩方面目的，國防科技大學(xué)仿生生物學(xué)團隊胡碧茹教授課題組從（1）藤壺幼蟲基底探測、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與表面定居，以及（2）藤壺成體膠的分泌與固化兩大方向開展長期的藤壺附著機理研究（圖2），尋找防污和設(shè)計仿生膠的突破點，現(xiàn)已取得重要階段性成果1, 2。
針對幼蟲基底探測與定居的關(guān)鍵過程，該課題組利用高通量的轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法理解其背后的分子機制，尋找防污新思路。近期，系統(tǒng)分析天然信息素SIPC（Settlement-Inducing Protein Complex）誘導(dǎo)藤壺幼蟲基底附著的分子機制發(fā)現(xiàn)，低濃度的SIPC即可刺激G蛋白偶聯(lián)受體產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)而激發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分泌大量囊泡而加強蛋白性分泌物的釋放，同時探明的各種膠蛋白組分的表達(dá)并不受SIPC的顯著影響3。
在成體藤壺膠的研究方面，相關(guān)工作包括三個層次：一是結(jié)合多種組學(xué)手段發(fā)現(xiàn)和解析新的藤壺膠蛋白，為藤壺膠蛋白家族添加新成員。該團隊發(fā)現(xiàn)一種尚未報道過的疑似新藤壺膠蛋白，現(xiàn)正開展進(jìn)一步確認(rèn)工作。二是針對藤壺膠研究中原材料極難獲取的挑戰(zhàn)，長年來不斷摸索和優(yōu)化利用分子生物學(xué)方法表達(dá)獲取不同的藤壺膠蛋白，現(xiàn)已成功、穩(wěn)定掌握了cp19k、cp20k和cp52k三種藤壺膠蛋白的制備方法。三是以重組膠蛋白為原材料，開展蛋白質(zhì)—材料互作的界面粘接機理、蛋白質(zhì)—蛋白質(zhì)互作的自組裝以及仿生膠研究等工作。
針對cp19k蛋白，該團隊最初將其與另一種蛋白融合表達(dá)，意外發(fā)現(xiàn)該雜合蛋白可形成一種高粘接強度（干燥條件下對鋁板的粘接強度約2MPa）的單組分蛋白膠粘劑（圖4）4。后續(xù)以無額外蛋白標(biāo)簽的重組cp19k蛋白為研究對象，首次證實該蛋白在類海水條件下自組裝成淀粉樣纖維（圖5）5，而在酸性低鹽度條件下自組裝成非淀粉樣纖維（圖6），相關(guān)自組裝性質(zhì)均與該蛋白是否形成分子內(nèi)二硫鍵無關(guān)，而且還發(fā)現(xiàn)該蛋白自組裝成纖維后粘性會明顯增加6。圍繞cp52k和cp20k的研究也已取得了部分結(jié)果，現(xiàn)正在整理和完善。
目前，該團隊正在推動藤壺人工養(yǎng)殖系統(tǒng)的建立，該系統(tǒng)一旦成功運行，不僅可以大量孵化藤壺幼蟲，開展材料防污性能的室內(nèi)評估及幼蟲附著分子機理的深入分析，還可以原位實時進(jìn)行成體藤壺行為學(xué)觀測，獲得寶貴的數(shù)據(jù)資料。同時，該課題組正在積極開展藤壺膠蛋白的界面粘接機理和藤壺膠蛋白及其仿生多肽的自組裝研究，在更深入理解藤壺附著機理的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步開展仿生人工化學(xué)膠的合成與應(yīng)用研究。
參考文獻(xiàn)
1. 張新康, 劉興平, 曾玲, 葉宗煌, 胡碧茹, 吳文健. 藤壺附著：從基底探測到膠的固化. 生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 2017,?44(03): 204-214.
2. LiangC, Strickland J, Ye Z, Wu W, Hu B, Rittschof, D. Biochemistry of BarnacleAdhesion: An Updated Review. Frontiers in Marine Science,?2019,?6: 565.
3. ZhangX, Liang C, Song J, Ye Z, Wu W, Hu B. Transcriptome analyses suggest amolecular mechanism for the SIPC response of Amphibalanus amphitrite.Biochemical and Biophysical Research Communications,?2020,?525(4): 823-829.
4. LiangC, Li Y, Liu Z, Wu W, Hu B. Protein Aggregation Formed by Recombinant cp19kHomologue of Balanus albicostatus Combined with an 18 kDa N-Terminus Encoded bypET-32a(+) Plasmid Having Adhesion Strength Comparable to Several CommercialGlues. Plos One,?2015,?10 (8):e0136493.
5. Liu X,Liang C, Zhang X, Li J, Huang J, Zeng L, Ye Z, Hu B, Wu W. Amyloid fibrilaggregation: An insight into the underwater adhesion of barnacle cement.Biochemical and Biophysical Research Communications,?2017,?493(1): 654-659.
6. LiangC, Ye Z, Xue B, Zeng L, Wu W, Zhong C, Cao Y, Hu B, Messersmith PB.Self-Assembled Nanofibers for Strong Underwater Adhesion: The Trick ofBarnacles. ACS Applied Materials & Interfaces,?2018,?10(30): 25017-25025.
