贻贝是一种在海岸边生存的动物，被称为“海洋软黄金”，其更是作为聚合物材料的典范，多用于自愈合材料、先进涂层，以及仿生粘合剂。贻贝产生粘合剂的具体机制一直笼罩在神秘之中，因为一切都发生在贻贝足部内部，看不见。2021年，来自于加拿大麦吉尔大学的Matthew J. Harrington副教授课题组经过在该领域的十年工作，通过使用多种方法的组合，包括显微计算机断层扫描(micro-CT)、光学显微镜、电子显微镜、X射线荧光显微镜和共聚焦拉曼光谱成像，终于成功地揭示了贻贝制造水下粘合剂的细胞机制。

        尽管贻贝在岩礁上的牢固粘附对于生存是必要的，但当遇到捕食者或恶劣环境时，这些固着生物可以从固定的基质中解放出来，重新获得活动能力。贻贝如何确保与足丝的牢固而紧凑的连接，并在需要时快速释放它？（足丝由一系列蛋白质附着线组成，贻贝利用它们锚定在海滨栖息地，抵御海浪和捕食者的力量）。今日，加拿大麦吉尔大学Matthew J. Harrington团队使用先进的成像和光谱学方法来研究脱离过程。他们发现，这种快速释放的反应能力取决于纤毛的摆动运动，以及随后纤毛茎和贻贝足组织之间机械相互作用的变化。这种跳动运动可以受到血清素和多巴胺的影响，从而说明神经递质在控制生物和非生物组织之间的机械相互作用中的作用。研究人员揭示了贻贝组织和足丝之间的动态生物界面在贻贝中发挥着重要作用。他们的发现可能为非生命材料如何与活组织动态连接提供信息，例如可拆卸生物传感器和医疗植入物。相关研究成果以题为“A strong quick-release biointerface in mussels mediated by serotonergic cilia-based adhesion”发表在最新一期《Science》上。

【研究背景】

        足丝是贻贝分泌的无生命的蛋白质生物聚合物。足丝茎的近端转变为多个扁平且锥形的根，用于与活贻贝组织连接。足丝的可分离性质表明，活体组织和足丝茎根之间的强界面相互作用主要涉及非共价相互作用，这是一类可逆的分子间结合。然而，非共价结合通常很弱，那么它们如何支持非生命生物聚合物与贻贝中的活组织之间的牢固连接呢？先前的研究表明，可以使用互补的化学基团或不同的几何结构在表面上构建增强的非共价界面结合。例如，化学设计的氢键超分子系统可实现强底物相互作用。类似地，具有互补非共价结合的大环主客体化学用于增强界面粘附。然而，这些复杂的非共价表面在生命系统中很少发现，可能是由于它们潜在的毒性。相反，蛋白质足丝和活组织之间的天然生物材料界面不涉及特殊的化学物质。因此，其独特的结构可能为揭示生物界面的机械稳定性提供线索。

【研究内容】

图 1. 贻贝足丝茎根微尺度层次结构

        作者研究了贻贝中强足丝组织界面是否可能是由于多尺度分层结构而产生的。他们发现足丝茎根具有许多单独的薄片，这些薄片可以在覆盖着数十亿柔软的活动纤毛的活组织之间相互交叉。分枝的层状足丝茎根和无数的纤毛大大增加了界面处的粘合接触。此外，纤毛的粘弹性可以提供缓冲作用，以抵消柔软的活体组织和相对坚硬的非活体足丝之间的机械失配。足丝茎根与活组织之间的叉指结构有利于界面连接的增强。与足丝远端的特定粘附蛋白不同，近端足丝-组织界面由几种常见的蛋白质组成，例如胶原蛋白。这意味着强的足丝组织连接主要依赖于多尺度层次结构而不是特殊的化学相互作用。

图 2. 茎生成器生物界面的结构和成分分析

【机理研究】

        作者揭示了其释放机制，其中涉及神经化学调节的微尺度接触。他们发现，由神经化学因素引发的纤毛振荡运动与足丝脱离相关。当纤毛运动被激活时（例如，通过添加血清素），纤毛和薄片之间的粘附接触就会减少，从而导致干净的足丝释放。这可能使贻贝能够将外部环境因素转化为体内特定神经化学物质的释放，从而证明了贻贝-足丝界面的动态性质。纤毛和片层之间的微尺度接触可能代表了实现强且受控的界面相互作用的一般策略。

图 3. 茎释放的组织学和光谱特征

图 4. 纤毛和神经递质在茎释放中的作用

【总结】

        最值得深入探讨的一点是，这些自然实例中的界面粘连是可控的，可以根据需要进行自动切除（从广义上讲，粘液释放可以被视为一种非生物组织的自动切除）。在临床中，临时植入的材料或装置，尤其是神经植入物，需要在不损伤组织的情况下取出或更换。因此，贻贝的自动切除界面可能为植入式生物材料提供了一个范例。目前，基于表面引入动态化学物质的合成动态生物界面已被广泛用于操纵细胞行为或调节组织粘附性。然而，很少有生物界面能再现生物反馈行为，如贻贝粘液释放。因此，接近天然生物界面的关键步骤是模仿它们的独特结构。总的来说，本文利用组织学、共焦拉曼图谱、相差增强微计算机断层扫描和先进电子显微镜来表征足丝生物界面的结构和组成，揭示了由活体细胞外基质之间相互交叉的非生物生物聚合物片组成的复杂连接。片材表面与数十亿个活动的上皮纤毛紧密接触，这些纤毛通过它们的集体运动控制生物界面强度和茎释放，这是由神经化学调节的。作者认为这可能涉及一个复杂的感觉通路，无柄贻贝通过该通路响应环境压力以释放和重新定位。

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