硅質海綿骨針礦化機制及仿生應用研究進展

王曉紅,汪順鋒,甘 露,Ute Schlo?acher,周 峰,Klaus P.Jochum,Matthias Wiens,Heinz C.Schr?der,Werner E.G.Müller

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心,北京 100037;

2)德國美因茨大學醫學中心,德國美因茨 55128;

3)德國馬－普化學所,德國美因茨 55020

硅質海綿骨針礦化機制及仿生應用研究進展

王曉紅1),汪順鋒1),甘 露1),Ute Schlo?acher2),周 峰2),Klaus P.Jochum3),Matthias Wiens2),Heinz C.Schr?der2),Werner E.G.Müller2)

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心,北京 100037;

2)德國美因茨大學醫學中心,德國美因茨 55128;

3)德國馬－普化學所,德國美因茨 55020

硅質海綿動物是地球上最簡單、最古老的多細胞動物,它經幾百萬年的自然進化成就了適應自然和接近完美的技術藍圖,為人類利用納米生物技術仿生合成生物無機礦物材料提供了一種嶄新的節能和“環境友好”技術,在光纖、微電子和生物醫學材料等領域具有廣闊的仿生應用前景。生長在深海1000 m以下水深的單根海綿動物的根須骨針長達3 m,是世界上最長的生物硅,也是生物硅化機制和仿生應用研究不多見的載體。本文系統總結了我們在單根海綿動物根須骨針結構、組成、機械性能、光物理性能、生化特性和分子生物學基礎、礦化機制和生物醫學領域仿生應用等方面的研究成果。

海綿動物; 六放海綿動物; 根須骨針; 生物硅; 硅蛋白; 生物硅化

仿生學是一門相當年輕的科學,但是,生物界經幾百萬年的自然進化造就了與自然和生存環境和諧共存、選擇發展的各種優異性狀和功能品質,給人類社會帶來了全新的設計理念和接近完美的技術藍圖,成為人類社會發展取之不盡的知識寶庫,因此,一經問世就顯示了極強的生命力。利用生物礦化機制仿生合成生物無機礦物是一種嶄新的節能和“環境友好”技術,是我國乃至世界“低碳資源”研究新領域。

硅質海綿動物在自然條件(常溫、常壓和硅含量極低的中性海水環境)下由硅蛋白/酶催化合成純的生物二氧化硅(骨架/骨針),有望徹底改善目前硅材料生產需要高溫、高壓和腐蝕性化學試劑參與的傳統工藝,在光纖、微電子和生物醫學材料領域具有廣闊的仿生應用前景(Chael a1.,1999; Kraskoet al.,2000; Mülleret al.,2007)。

20世紀90年代,意大利生物學家發現了硅質海綿骨針的光纖特性(Gainoet al.,1994),特別是21世紀初美國科學家進一步指出了這些特性將給人類制造光纖帶來新思路(Sundarel a1.,2003; Aizenberget a1.,2004),便很快引起了科學家們對硅質海綿骨針結構、特性、生長機制與調控的生物學、生礦物學以及仿生學的廣泛研究興趣(王曉紅等,2006,2007)。但是，系統的工作主要是針對可在實驗室培養的尋常海綿動物Subrites domuncula進行的(Mülleret al.,2007a)。

我國擁有豐富的六放海綿動物資源,特別是單根海綿動物骨針標本,近來我們有幸在我國南海2000多米水深采集到了世界上最長的單根海綿動物根須骨針(2.5 m),使得我們的研究工作取得了突破性進展。本文就是對這些珍貴樣品研究成果的總結。

1 單根海綿動物及其發現

單根海綿動物生活在深海環境中,一根巨大的根須骨針扎根在沉積物中支撐著橢圓形的身體(圖1A,F),它們從流過身體溝道系統的水流中獲取營養物質而生存。單根海綿動物的根須骨針可長達3 m,代表了地球上最長的生物硅結構。

德國“瓦爾迪維亞(Valdivia)”號在1898—1899年的深海探險中首次在東非海岸索馬里盆地1644 m水深發現了單根海綿動物。這個標本有一根約 3 m長的巨大的根須骨針,并由一根同樣長的伴骨針環繞,成為這次深海探險最重要的收獲之一(圖1),但后人一直沒有見到實物。Schulze(1904)對該單根海綿動物(Monorhaphis)標本進行了詳細描述和拍照。另外,他用草圖勾畫了單根海綿動物不同生長期的形態變化: 年輕的單根海綿動物整個的根須骨針都被軟組織包裹,但隨著個體的生長,根部的軟組織逐漸消退,年老的個體的根須骨針底部暴露(圖1B)。單根海綿動物身體的一側有許多開口(圖 1C-E),通過這些開口,可以觀察到內部有序的骨架結構(圖2)。

2008年,我們有幸在我國南海采到了一根長達2.5 m的單根海綿動物根須骨針和它的伴骨針,根須骨針中部的直徑約為1 cm,底部的直徑約為0.3 cm,伴骨針略短也略細,最大直徑約0.5 cm(Wanget al.,2009a)。

2 單根海綿動物骨針的多樣性和結構

單根海綿動物與其它所有六放海綿動物一樣,其骨架由大骨針(0.2 mm～3 m)和小骨針(＜0.1 mm)組成,具有支撐和保護身體的功能。一根巨大的根須骨針和一根伴骨針一起構成了單根海綿動物的主要骨架。另外,在單根海綿動物中還找到了14種長度從幾微米到 50毫米不等的骨針(Mülleret al.,2007b; Schulze,1904; Tabachnick,2002)。

單根海綿根須骨針一般由外圍無機硅層和中心有機軸絲(af)組成(圖3A,B; Wanget al.,2009a)。無機硅層又分為三個部分,即中間存放軸絲的軸洞(ac),圍繞軸洞直徑約為 100～150 μm 的均勻硅層(cy)和外部規則的同心圓狀硅薄層(la),每硅薄層厚約 3～10 μm,根據骨針大小不同可能有 300～1000層的硅薄層(圖3C,D)。中心有機軸絲的主要成分是硅蛋白(Silicatein),它既是催化硅質海綿骨針生長的酶也是模板。不同類型的海綿骨針,其軸洞和軸絲截面的形狀不同,對于單根海綿根須骨針,其軸洞的為圓形,而軸絲為矩形(圖3A,B)。

3 單根海綿動物骨針的化學組成

Sandford(2003)和Müller(Mülleret al.,2007b)等曾經對六放海綿骨針和尋常海綿骨針的化學組成進行了研究; Schulze早在1904年就測定出硅質海綿骨針中除 96%的硅外,只有痕量的Na 和K。最近,我們利用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜(LA-ICP-MS)技術系統研究了單根海綿骨針截面(直徑約 7 mm)中 40多個元素的含量及分布特征(從骨針截面的中心到邊緣),發現所有元素的含量在硅質海綿骨針截面中的變化都較小,而且與Si 相比,其它元素的含量都極低,Si以外的其它元素的含量總和僅為SiO2含量的0.005倍,其純度幾乎達到了石英的純度，而Na 的含量僅為0.21%,與生長于其中、提供其物質來源的天然海水的元素組成(Na: 32.4%,Si: 0.006%)形成了鮮明對比(圖 4),展現了生物界的無比威力。

4 單根海綿動物根須骨針的機械性能

Levi等通過對單根海綿骨針的研究認為海綿骨針的多層結構有望改善其機械性能(Leviet al.,1989)。Mayer認為天然生物復合材料中有機相的存在能控制能量損耗,特別是摻雜有有機薄層的無機材料(Mayer et al.,2005)。我們最近利用高分辨掃描電鏡(HR-SEM)對單根海綿根須骨針的研究表明,有機質不僅分布在軸洞周圍,而且外圍的硅層和硅薄層中都有有機質存在(Mülleret al.,2007b)。

為了證實這種具有特殊結構和組成的硅質海綿骨針擁有獨特的機械穩定性,我們進行了三點彎曲試驗,硅質海綿骨針(直徑 2.1～2.6 mm)高溫處理(600℃,20分鐘)前后的壓力－位移對比曲線見圖5(Mülleret al.,2007b; Mülleret al.,2008b)。紅色的曲線為樣品加熱前的彎曲曲線,樣品的斷裂經歷了A、B、C和D幾個特征點,是一個逐步斷裂的過程,樣品的彎曲性能好; 而黑色的曲線為樣品加熱后的彎曲曲線,和普通的玻璃絲一樣其斷裂過程是一個瞬間過程,樣品很脆,彎曲性能差。硅質海綿骨針經過高溫處理,有機質消失,樣品變脆,說明硅質海綿骨針除了同心圓多層結構外,有機質的存在對其韌性,即彎曲性能有很大影響。

5 單根海綿動物根須骨針的光物理性能

海綿動物利用其復雜的細胞－細胞和多樣化的細胞－基質反應系統,通過身體收縮或擴張對外界的物理刺激做出迅速回應(Mülleret al.,2004)，這些通常是神經系統的功能,但是，科學家們一直沒有在海綿動物中找到構成神經系統的神經纖維或神經鍵。

后來,科學家們把海綿動物信號系統研究的目光轉向了光系統,因為 20世紀 70年代就已經發現無論是海綿動物胚胎還是海綿動物都會對光的刺激做出反應(Mackie,1979; Pavans de Ceccatty,1974);Leys等還發現海綿動物可辨別不同波長的光(Leyset al,2001; Leyset al.,2002); Cattaneo-Vietti等和Aizenberg等發現硅質海綿骨針(分別利用Rossella racovitzae和Euplectella aspergillum)可以導光(Aizenberget al.,2004; Cattaneo-Viettiet al.,1996);Müller等發現硅質海綿骨針(Hyalonema sieboldi)對光的傳輸有選擇性(Mülleret al.,2006)。我們研究了單根海綿根須骨針的導光(白光)性能,發現只有600～1400 nm波長的光可以通過,而且由于水分子的存在,在譜圖的960 nm和1150 nm處出現了兩個小的吸收峰(圖6)。

受上述研究成果的啟發,我們在硅質海綿動物中分離和鑒定出了發光蛋白——熒光素酶(Luciferase)和受體蛋白——隱形素(Cryptochrome),從而在硅質海綿動物中找到了具有神經系統功能的光傳感系統: 發光蛋白——熒光素酶發光,通過導光系統——骨針傳輸光,最后受體蛋白——隱形素接收光而傳遞信號,對外界刺激作出實時反應(圖7;Mülleret al.,2009a,2010)。

6 生化特性和分子生物學基礎

6.1 生化特性

用 HF溶解硅質層是從硅質海綿骨針中提取硅蛋白常用的方法。我們采用適量的 HF小心溶解單根海綿根須骨針外面的硅層(硅層溶解后立即中斷溶解過程),通過聚丙烯酰胺凝膠電泳法測定出了24-27 kDa的低分子量蛋白帶(Wanget al.,2008)。

為了證明該蛋白確實是硅蛋白,我們做了一系列的生化實驗。發現27 kDa大小的蛋白與硅蛋白的抗體發生交叉反應,更重要的是其中的提取物與尋常海綿的寄居蟹皮海綿(Suberites domuncula)中的提取物類似,都有蛋白水解酶活性。而且,這種提取物的蛋白水解酶活性能被巰基蛋白酶抑制劑E-64抑制(Mülleret al.,2008c)。

此外,我們從單根海綿根須骨針中檢測出了第二種有機物,半乳糖凝集素。對寄居蟹皮海綿骨針的研究表明,胞外硅蛋白分子與半乳糖凝集素分子密切相關,它們共同參與硅質海綿骨針硅層的生長/礦化(Schr?deret al.,2006)。為此,我們利用標準的血凝試驗,檢驗了單根海綿根須骨針提取物的凝集素活性。將馬血中的紅細胞置于單根海綿根須骨針提取物中,結果發現當紅細胞濃度超過2.5 μg/ml時會出現明顯的紅細胞凝集現象(Wanget al.,2007)。

6.2 六放海綿中硅蛋白基因的cDNA克隆

如前所述,單根海綿動物根須骨針中含有與尋常海綿動物具有相似酶活性的物質。遺憾的是未能采集到新鮮的單根海綿組織樣品,僅利用博物館收藏的樣品未能成功克隆出硅蛋白的cDNA編碼序列。為此,我們利用六放海綿動物的另一個物種Crateromorpha meyeri的新鮮組織樣品,從中獲得了其硅蛋白的cDNA編碼序列(Mülleret al.,2008d)。發現作為硅蛋白特征氨基酸片段催化三聯體的絲氨酸(aa 22)、組胺酸(aa 161)和天冬酰胺殘基(aa 181)出現的位置與尋常海綿寄居蟹皮海綿的硅蛋白-α和貝加爾湖淡水海綿硅蛋白-α3中催化三聯體出現的位置完全一致(Mülleret al.,2007c)。但是,除了常規的絲氨酸基團外,這種六放海綿多肽中還包含有第二個絲氨酸基團,這個基團被稱作六放海綿動物特有的含有 5個殘基的絲氨酸基團,它出現在六放海綿基因序列中氨基酸殘基aa 169 與aa 173之間的區域。六放海綿動物硅蛋白基因序列中包含了肽酶-C1木瓜家族半胱氨酸蛋白酶結構域,與荔枝海綿(Tethya aurantium)和寄居蟹皮海綿中硅蛋白-β基因序列具有高度的相似性(期望值E＝8e-58),但與淡水海綿Leuciscus baicalensis基因序列相似性較低(E＝2e-47)(圖 8; Wanget al.,2009b)。

迄今為止,我們未能獲得確鑿的實驗數據解釋六放海綿動物特有的絲氨酸基團在硅蛋白分子中的潛在作用。但最近的研究發現,與硅藻系統類似,這些絲氨酸基團通過側鏈上的羥基基團與單個的硅酸分子發生作用(Müller et al.,2008a)。因此,我們推測六放海綿動物特有的絲氨酸基團和常規的絲氨酸基團一起起著穩定硅蛋白和聚硅酸表面之間反應的作用。

7 單根海綿根須骨針的生長/礦化機制

海綿是世界上最簡單的多細胞動物,但是不同種屬的海綿動物其骨針的大小和形狀各不相同,其骨架/骨針的生長/礦化機制相當復雜。

前人研究表明,硅蛋白可催化生物硅的礦化,而膠原蛋白和凝集素參與生物硅形態的調控。我們成功地從單根海綿骨針中分離和鑒定出了硅蛋白,又利用 SEM 技術我們在單根海綿骨針表面找到了一層膠原蛋白鞘(表面有直徑約7～10 μm的規則圓孔)(Mülleret al.,2007d)。在單根海綿根須骨針結構、組成和分子生物學等研究成果的基礎上,我們總結出了其礦化機制(圖9; Wang et al.,2009a)。

單根海綿動物根須骨針的生長/礦化包括兩個方面: 橫向的增粗(圖 9B)和縱向的增長(圖 9C)。橫向生長如圖 9B所示,中心軸洞里為由硅蛋白/酶組成的軸絲(af; 紅色),它既是硅質海綿骨針生長/礦化的模板又是催化劑; 通過硅蛋白的催化作用由正硅酸鹽(si)合成包裹在軸絲外面的均勻硅層(cy); 硅層外面附有一硅蛋白層(sil; 紅色橢圓),硅蛋白層由外面的凝集素分子層穩定 (lec; 黃色橢圓),而凝集素分子層的方向由包裹其外面的膠原蛋白層控制(col; 灰色纖維結構),通過反饋耦合機制形成一層層硅薄層構成硅薄層區,骨針增粗。而縱向生長如圖9C所示: 六放海綿骨針頂端有一開口,軸絲向上生長,硅蛋白從頂端釋放出來催化形成錐形結構的硅薄層,硅薄層從頂端到根部生長,與頂端封閉的尋常海綿骨針的生長/礦化機制不同(Mülleret al.,2005; Schr?deret al.,2006)。

8 硅質海綿骨針的仿生應用

硅質海綿骨針的生長由基因控制,其中起關鍵作用的就是硅蛋白(Chaet al.,1999; Kraskoet al.,2000)。在明確了海綿骨針生長和礦化機制的前提下,Müller教授研究小組發展了硅蛋白的重組技術(Mülleret al.,2004),將其廣泛應用于光纖、微電子和生物醫學材料等納米生物技術領域。這里重點介紹我們仿生制備生物醫學材料的新進展。

通常而言,生物硅是自然生態系統中最基本的營養物質(Struyfet al.,2009),它對人類和其他脊椎動物尤其重要(Carlisle,1986; Dycket al.,2000),硅缺乏會導致嚴重的骨骼畸形(Carlisle,1972)。對于禽類,與心臟和肌肉組織相比,結締組織中的硅含量最高。動物骨骼的形成與硅的累積可以建立一定的空間相關性,在類骨質周圍和類骨質與骨質界面可檢測到大量的硅,表明這種無機成分對骨的形成至關重要。為此,Schr?der等深入研究了生物硅對成骨細胞活性的影響。實驗表明,在有生物硅存在的β-磷酸甘油(一種磷酸脂)中培養成骨肉瘤細胞SaOS-2,其礦化活性增強(Schr?deret al.,2005)。值得注意的是,如果生物硅和Ι型膠原蛋白同時存在,不僅細胞中磷酸鈣的沉積增加,而且還刺激細胞的增殖。我們考察了生物硅和硅基化合物對控制牙釉質形成關鍵基因表達的影響,研究發現硅基化合物的存在會增強標識基因的表達，HR-SEM可觀察到有生物硅存在的細胞中羥磷灰石的沉積增加 (Mülleret al.,2007e)。在上述研究工作的基礎上,首次嘗試硅蛋白/生物硅在生物醫學領域的應用(骨骼/牙齒修復和牙齒保健 )取 得成功 (圖 10)。硅蛋白與偏硅酸鈉作用可在牙齒(豬牙齒; 圖Fig.10C,D)和骨骼(老鼠腿骨,見圖 10E,F)表面沉積生物硅層(50～150 nm),這樣就可以在牙齒表面形成一層生物硅保護膜,從而減少細菌的侵蝕而不會導致齲齒/蛀牙;通過生物硅刺激礦化細胞的活性而增加羥基磷灰石的沉積可修復骨組織(Mülleret al.,2009b,Wienset al.,2010a)。

最近,我們已經初步仿生合成了一種具有生物活性能誘導骨骼再生的新型骨修復材料(圖 11)。這種材料由可塑性的支架和將硅蛋白包裹其中(保持硅蛋白的活性)的聚D,L乳酸/聚乙烯吡咯烷酮交聯共聚物微球體組成。這種材料具有生物兼容性和降解性,植入兔腿骨后,材料本身降解,刺激羥磷灰石沉積,實現骨再生,最后創傷基本修復(Wienset al.,2010b)。此外,生物硅還是治療和預防骨質疏松的一劑良藥(圖12; Wienset al.,2010c)。生物硅誘導基因的表達有選擇性,可誘導破骨細胞抑制因子(OPG)的表達,而不誘導破骨細胞分化因子(RANKL)的表達(Wienset al.,2010c),最終從成骨細胞中釋放出的OPG的數量增加,使得胞外區OPG與RANKL結合導致 RANKL不能與其受體 RANK(核因子-κB受體活化因子)結合,RANKL功能的消失抑制破骨細胞的分化和骨吸收,從而避免骨質疏松癥的產生。下一步將進行動物實驗檢驗其生物學效應。此外,也會考慮聚合硅和其它無機聚合物,特別是無機多磷酸鹽的綜合作用(Leyhausenet al.,1998;Schr?deret al.,2000b; Lorenzet al,2001; Mülleret al.,2011)。

9 結語

硅質生物體在自然條件下搭建納米到米量級范圍的形態各異的骨架結構,為人類硅材料生產提供了全新的設計理念。近年來,生物硅化過程中起關鍵作用的酶(海綿動物中的硅蛋白 silicateins)和蛋白質/多聚胺(硅藻中的親硅蛋白 silaffins)的發現將無機化學和生物化學緊密相聯,生物硅化機制和仿生應用研究取得了初步進展,更重要的是未來的前景相當廣闊,特別是在生物醫學材料領域的應用將是一項影響深遠的工作。

我國是一個擁有13億人口的大國,而且老年人占了相當的比例,據統計65%的人都患有齲齒,每年有大約45萬骨移植手術,因此,對生物醫學材料,特別是具有優良性能的生物醫學材料的需求是巨大的。

2010年在德國教育與研究部的支持下成立了德中合作實驗室,為德中深入、持久的合作搭建了一個良好的平臺。中德雙方將在未來幾年內繼續利用“綠色”的仿生技術研究制備具有優良性能的硅基生物醫學材料/藥物,為人類健康服務。

王曉紅,王毅民.2006.海綿骨針特性及其仿生學研究[J].地球科學進展,21(10): 1008-1013.

王曉紅,王毅民,滕云業,張學華.2007.海綿動物骨針研究簡介[J].巖礦測試,26(5): 404-408.

MüLLER W E G,王曉紅,曾令森,SCHR?DER H C.2007.海綿動物的演化意義及其生物硅的仿生應用[J].科學通報,52(12): 1372-1381.

Ref erences:

AIZENBERG J,SUNDER V C,YABLON A D,WEAVER J C,CHEN G.2004.Biological glass fibers: Correlation betweenoptical and structural properties[J].Proceedings of the National Academy of Sciences the United States of America,101(10): 3358-3363.

AIZENBERG J,SUNDER V C,YABLON A D,WEAVER J C,CHEN G.2004.Biological glass fibers: Correlation between optical and structural properties[J].Proceedings of the National Academy of Sciences the United States of America,101(10): 3358-3363.

CARLISLE E M.1972.Silicon: An essential element for the chick[J].Science,178: 619-621.

CAR LISLE E M.1986.Silicon as an essential trace element in animal nutrition[M].//Silicon Biochemistry.CIBA Foundation Symposium 121.New York: JohnWiley & Sons: 123-139.

CATTANEO-VIETTI R,BAVESTRELLO G,CERRANO C,SARà M,BENATTI U,GIOVINE M,GAINO E.1996.Optical fibres in an Antarctic sponge[J].Nature,383: 397-398.

CECCATTY de M P.1974.Coordination in sponges.The foundations of integration[J].American zoologist,14: 895-903.

CHAJ N,SHIMIZU K,ZHOU Y,CHRISTIANSEN S C,CHMELKA B F,STUCKY G D,MORSE D E.1999.Silicatein filaments and subunits from a marine sponge directthe polymerizalion of silica and silicones in vitro[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,96: 361-365.

DYCK K V,ROBBERECHT H,CAUWENBERGH R V,VLASLAER V V,DEELSTRA H.2000.Indication of silicon essentiality in humans[J].Biological Trace Element Research,77: 25-32.

GAINOE,SARH M.1994.Siliceous spicules ofTethya seychellensis(Porifera) support the growth of a green alga: A possible light conducting system[J].Marine Ecology Progress Series,108: 147-l51.

KRASKO A,LORENZ B,BATEL R,SCHR?DER H C,MüLLER I M,MüLLER W E G.2000.Expression of silicatein and collagen genes in the marine spongeSuberites domunculais controlled by silicate and myotrophin[J].European Journal of Biochemistry,267: 4878-4887.

LEVI C,BARTON J L,GUILLEMET C,LE BRAS E,LEHUEDE P.1989.A remarkably strong natural glassy rod: The anchoring spicule of theMonorhaphissponge[J].Journal of Materials Science Letters,8: 337-339.

LEYHAUSEN G,LORENZ B,ZHU H,GEURTSEN W,BOHNENSACK R,MüLLER WEG,SCHR?DER HC.1998.Inorganic polyphosphate in human osteoblast-like cells[J].Journal of Bone and Mineral Research,13: 803-812.

LEYS S P,CRONIN T W,DEGNAN B M,MARSHALL J N.2002.Spectral sensitivity in a sponge larva[J].Journal of Comparative Physiology,A188: 199-202.

LEYS S P,DEGNAN B M.2001.Cytological basis ofphotoresponsive behavior in a sponge larva[J].The Biological Bulletin,201: 323-338.

LOR ENZ B,SCHR?DER H C.2001.Mammalian intestinal alkaline phosphatase acts as highly active exopolyphosphatase[J].Biochimica et Biophysica Acta,1547: 254-261.

MAC KIE G O.1979.Is there a conduction system in sponges?[J].//LEVI C,BOURY-ESNAULT N (eds.) Biologie des Spongiaires.Paris: CNRS,145-151.

MAYER G,TREJO R,LARA-CURZIO E,RODRIGUEZ M,TRAN K,SONG H,MA W H.2005.Lessons for new classes of inorganic/organic composites from the spicules and skeleton of the sea sponge Euplectella aspergillum[J].Materials Research Society Symposia Proceedings,844,Y4.2.1–Y4.2.8.

MüLLER W E G,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,WANG X H,ECKERT C,KROPF K,LI J H,SCHR?DER H C.2008c.Identification of a silicatein(-related) protease in the giant spicules of the deep sea hexactinellid (Monorhaphis chuni)[J].The Journal of Experimental Biology,211: 300-309.

MüLLER W E G,BOREIKO A,WANG X H,BELIKOV S I,WIENS M,GREBENJUK V A,SCHLO?MACHER U,SCHR?DER H C.2007c.Silicateins,the major biosilica forming enzymes present in demosponges: Proteinanalysis and phylogenetic relationship[J].Gene,395: 62-71.

MüLLER W E G,BOREIKO A,WANG X H,KRASKO A,GEURTSEN W,CUSTóDIO M R,WINKLER T,LUKI?-BILELA L,LINK T,SCHR?DER H C.2007e.Morphogenetic activity of silica and bio-silica on the expression of genes controlling biomineralization using SaOS-2 cells[J].Calcified Tissue International,81: 382-393.

MüLLER W E G,ECKERT C,KROPF K,WANG X H,SCHLO?MACHER U,SECKERT C,WOLF S E,TREMEL W,SCHR?DER H C.2007b.Formation of the giant spicules of the deep sea hexactinellidMonorhaphis chuni(Schulze 1904):electron microscopical and biochemical studies[J].Cell &Tissue Research,329: 363-378.

MüLLER W E G,JOCHUM K P,STOLL B,WANG X H.2008a.Formation of giant spicule from quartz glass by the deep sea spongeMonorhaphis[J].Chemistry of Materials,20(14):4703-4711.

MüLLER W E G,KASUESKE M,WANG X H,SCHR?DER H C,WANG Y M,PISIGNANOC D,WIENS M.2009a.Luciferase a light source for the silica-based optical waveguides (spicules)in the demospongeSuberites domuncula[J].Cellular and Molecular Life Sciences,66: 537-552.

MüLLER W E G,LI J H,SCHR?DER H C,QIAO L,WANG X H.2007d.The unique skeleton of siliceous sponges (Porifera;Hexactinellida and Demospongiae) that evolved first from theUrmetazoa during the Proterozoic: A review[J].Biogeosciences,4: 219-232.

MüLLER W E G,SCHR?DER H C,LORENZ A,KRASKO A.2004.Silicatein-vermittelte Synthese von smorphen Silikaten und Siloxanen und ihre Verwendung.European patent,EP1320624,2004-09-22

MüLLER W E G,WANG X H,BELIKOV S I,TREMEL W,SCHLO?MACHER U,NATOLI A,BRANDT D,BOREIKO A,TAHIR M N,MüLLER I M,SCHR?DER H C.2007a.Formation of siliceous spicules in demosponges: exampleSuberites domuncula.In: B?UERLEIN E.(ed.)[M].Handbook of Biomineralization.Vol.1: Biological Aspects and Structure Formation.Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH& Co.KGaA,59-82.

MüLLER W E G,WANG X H,CUI F Z,JOCHUM K P,TREMEL W, BILL J,SCHR?DER H C,NATALIO F,SCHLO?MACHER U,WIENS M.2009b.Sponge spicules as blueprints for the biofabrication of inorganic-organic composites and biomaterials[J].Applied Microbiology and Biotechnology,83: 397-413.

MüLLER W E G,WANG X H,DIEHL-SEIFERT B,KROPF K,SCHLO?MACHER U,LIEBERWIRTH I,GLASSER G,WIENS M,SCHR?DER H C.2011.Inorganic polymeric phosphate/polyphosphate as an inducer of alkaline phosphatase and a modulator of intracellular Ca2+level in osteoblasts (SaOS-2 cells)in vitro[J].Acta Biomaterialia(in press).

MüLLER W E G,WANG X H,KROPF K,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,BRANDT D,SCHR?DER H C,WIENS M.2008d.Silicatein expression in the hexactinellidCrateromorpha meyeri: The lead marker gene restricted to siliceous sponges[J].Cell & Tissue Research,333: 339-351.

MüLLER W E G,WANG X H,KROPF K,USHIJIMA H,GEURTSEN W,ECKERT C,TAHIR M N,TREMEL W,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,LI J H,SCHR?DER H C.2008b.Bioorganic/inorganic hybrid composition of sponge spicules: Matrix of the giant spicules and of the comitalia of the deep sea hexactinellidMonorhaphis[J].The Journal of Structural Biology,161: 188-203.

MüLLER W E G,WANG X H,SCHR?DER H C,KORZHEV M,GREBENJUK V A,MARKL J S,JOCHUM K P,PISIGNANO D,WIENS M.2010.A cryptochrome-based photosensory system in the siliceous spongeSuberitesdomuncula(Demospongiae)[J].FEBS Journal,277: 1182-1201.

MüLLER W E G,WANG X H,ZENG L S,SCHR?DER H C.2007.Phylogenetic position of sponges in early metazoan evolution and bionic applications of siliceous sponge spicules[J].Chinese Science Bulletin,52(22): 3029-3040.

MüLLER W E G,WENDT K,GEPPERT C,WIENS M,REIBER A,SCHR?DER H C.2006.Novel photoreception system in sponges? Unique transmission properties of the stalk spicules from the hexactinellidHyalonema sieboldi[J].Biosensors and Bioelectronics,21: 1149-1155.

MüLLER W E G,WIENS M,ADELL T,GAMULIN V,SCHR?DER H C,MüLLER I M.2004.The Bauplan of the Urmetazoa: The basis of the genetic complexity of Metazoa using the siliceous sponges [Porifera] as living fossils[J].International Review of Cytology,235: 53-92.

MüLLER W E G.2005.Spatial and temporal expression patterns in animals[J].// MEYERS R A (Ed.).Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine,Vol.13,Weinheim:Wiley-VCH,269-309.

SANDFORD F.2003.Physical and chemical analysis of the siliceous skeleton in six sponges of two groups (Demospongiae and Hexactinellida)[J].Microscopy Research and Technique,62: 336-355.

SCHR?DER H C,BOREIKO A,KORZHEV M,TAHIR M N,TREMEL W,ECKERT C,USHIJIMA H,MüLLER I M,MüLLER W E G.2006.Co-Expression and functional interaction of silicatein with galectin: Matrix-guided formation of siliceous spicules in the marine demospongeSuberites domuncula[J].The Journal of Biological Chemistry,281: 12001-12009.

SCHR?DER H C,BOREJKO A,KRASKO A,REIBER A,SCHWERTNER H,MüLLER W E G.2005.Mineralization of SaOS-2 cells on enzymatically (Silicatein) modified bioactive osteoblast-stimulating surfaces[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B- Applied Biomaterials,75B: 387-392.

SCHR?DER H C,KURZ L,MüLLER W E G,LORENZ B.2000b.Polyphosphate in bone[J].Biochemistry (Moscow),65:296-303.

SCHULZE F E.1904.Wissenschaftliche Ergebnisse der Deutschen Tiefsee-Expedition auf dem Dampfer “Valdivia” 1898-1899[M].Stuttgart: Fischer.

STR UYF E,CONLEY D J.2009.Silica: an essential nutrient in wetland biogeochemistry[J].Frontiers in Ecology and the Environment,7: 88-94.

SUN DAR V C,YABLON AD,GRAZUL J L,ILAN M,AIZENBERG J.2003.Fibre-optical features of a glass sponge[J].Nature,424(21): 899-900.

TAB ACHNICK K R.2002.Family Monorhaphididae Ijima,1927[M].// HOOPER J N A,VAN SOEST R (Eds.).Systema Porifera: A Guide to the Classification of Sponges.New York:Kluwer Academic,1264-1266.

WANG X H,BOREIKO A,SCHLO?MACHER U,BRANDT D,SCHR?DER H C,LI J H,KAANDORP J A,G?TZ H,DUSCHNER H,MüLLER W E G.2008.Axial growth ofhexactinellid spicules: formation of cone-like structural units in the giant basal spicules of the hexactinellidMonorhaphis[J].Journal of Structural Biology,164: 270-280.

WANG X H,L J H,QIAO L,SCHR?DER H C,ECKERT C,KROPF K,WANG Y M,FENG Q L,MüLLER W E G.2007.Structure and characteristics of giant spicules of the deep sea hexactinellid sponges of the genusMonorhaphis(Hexactinellida: Amphidiscosida: Monorhaphididae)[J].Acta Zoologica Sinica,53(3): 557-569.

WANG X H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2009a.Giant siliceous spicules from the deep-sea glass spongeMonorhaphischuni.In: JEON K W (ed.)[J].International Review of Cell and Molecular Biology.273: 69-115.

WANG X H,ZHANG X H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2009b.Giant basal spicule from the deep-sea glass spongeMonorhaphis chuni: synthesis of this largest bio-silica structure on Earth by silicatein[J].Frontiers of Materials Science in China,3: 226-240.

WANG Xiao-hong,WANG Yi-min,TENG Yun-ye,ZHANG Xue-hua.2007.An Brief Introduction on Sponge Spicule Study[J].Rock and Mineral Analysis,26(5): 404-408(in Chinese with English abstract).

WANG Xiao-hong,WANG Yi-min.2006.An Introduction to the study on natural characteristics of sponge spicules and bionic applications[J]. Advances in Earth Science, 21(10):1008-1013(in Chinese with English abstract).

WIENS M,WANG X H,NATALIO F,SCHR?DER H C,SCHLO?MACHER U,WANG S F,KORZHEV M,GEURTSEN W,MüLLER W E G.2010b.Bioinspired fabrication of bio-silica-based bone substitution materials[J].Advanced Engineering Materials,12: B438-B450.

WIENS M,WANG X H,SCHLO?MACHER U,LIEBERWIRTH I,GLASSER G,USHIJIMA H,SCHR?DER H C,MüLLER W E G.2010a.Osteogenic potential of biosilica on human osteoblast-like (SaOS-2) cells[J].Calcified Tissue International,87:513-524.

WIENS M,WANG X H,SCHR?DER H C,KOLB U,SCHLO?MACHERU,USHIJIMA H,MüLLER W E G.2010c.The role of biosilica in the osteoprotegerin/RANKL ratio in human osteoblast-like cells[J].Biomaterials,31: 7716-7725.

Advances in Research on Siliceous Sponge Spicules: Novel Insight into the Understanding of Biomineralization Mechanisms and Bionic Applications

WANG Xiao-hong1),WANG Shun-feng1),GAN Lu1),Ute Schlo?acher2),ZHOU Feng2),Klaus P.Jochum3),Matthias Wiens2),Heinz C.Schr?der2),Werner E.G.Müller2)
1)National Research Center for Geoanalysis,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037;
2)Medical Center of the University of Mainz,Mainz,Germany55128;
3)Max-Planck Institute for Chemistry,Mainz,Germany55020

Siliceous sponges are the simplest and oldest multi-cellular animals on the Earth.They achieved a perfect technical blueprint during their million years of evolution.A new energy-saving and environmentally friendly technology has been developed by nature for human applications allowing the production of novel bio-inorganic mineral materials using nano-biotechnological approaches.There is a wide application prospect in the fields of optical fibers,microelectronics,biomedical materials and some further areas.Monorhaphis chunilives in the deep sea over 1000 m in depth.Its giant basal spicule is growing to a length of 3 m and is therefore the largest bio-silica structure on the Earth.It is a highly suitable model for the study of bio-silicification mechanisms and for their bionic applications.In this paper,the authors systematically summarize the research progress in these giant basal spicules on the following topics: structure,composition,mechanical properties,optophysical properties,biochemical properties and molecular biological basis,biomineralization mechanism as well as bionic applications in biomedicine.

Sponge; Hexactinellida; giant basal spicule; bio-silica; silicatein; biosilicification

Q915.812; Q915.4; Q919 文獻標志碼: A doi: 10.3975/cagsb.2011.02.01

本文由科技部國際合作項目“硅質海綿骨針礦化機制及仿生研究”(編號: 2008DFA00980)、國土資源部公益性專項“生物-硅化仿生新礦物材料應用研究”(編號: 201011005-6)、德國教育與研究部德中合作實驗室項目(編號: CHN 09/1AP)、歐盟研究委員會(ERC)高級領軍人才項目(編號: 268476 BIOSILICA; Müller教授為受助者)聯合資助。獲中國地質科學院2010年度十大科技進展第三名。

2011-03-07; 改回日期: 2011-03-09。責任編輯: 魏樂軍。

王曉紅,女,1969年生。研究員,博士。長期從事海洋地球化學分析技術研究和標準物質研制工作,近年來與德國美因茨大學Müller教授研究小組合作開展硅質海綿骨針礦化機制與仿生應用研究工作。通訊地址: 100037,北京市西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68999596。E-mail: wxh0408@hotmail.com。