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贻贝为什么能粘在礁石上

时间:2015年06月20日      作者      点击

贻贝一生中的绝大部分时候,都并不令人神往。这些拥有成对贝壳的软体动物,是“法式青口”的主要材料。它们大半生都粘附在岩石上,通过过滤流经的海水来获取食物。但有些科学家却愿意花费多年时间来研究这些“简单”的生物,仔细观察它们静态的生活方式,探究它们身上最大的秘密:就算周围不断有水流冲击,贻贝也总是能牢牢地贴在湿润的、滑溜溜的岩石上,它们是怎么做到的?

  

 

图一:附着在岩石上的贻贝

关键成分:左旋多巴

第一个尝试解答贻贝粘着之谜的人是赫伯特·韦特(Herbert Waite)。他在上世纪七十年代时,还是美国哈佛大学的研究生。他从那时起开始收集康乃狄克州海岸线上的贻贝,然后把它们带回实验室进行研究。他分析了贻贝那些“粘性线状物”——也就是“足丝”——的化学组成。贻贝就是依靠这些足丝,把自己固定在岩石上的。

贻贝会通过某种类似于注塑生产的生理过程,制造出像头发一样纤细的足丝。它们强健的足部会生出沟渠,而它们会把液态的蛋白质挤压到沟渠里,只需几秒钟时间,就能形成一条稳固的线状物。每条线状物的端点上都有一个粘性的“软垫”,可以牢牢地吸附在岩石上,或者其他任何贻贝想要贴附的坚硬表面上。

  

 

图二:贻贝的足丝

韦特把足丝、粘性软垫和生产它们的腺体里的蛋白质链条破坏,仔细进行观察。在这三种结构里,他都能找到同一种罕见的氨基酸——“左旋多巴”(L-dopa,或称为3,4-二羟苯丙氨酸)。植物可以制造这种分子,人体也可以制造它。它是神经递质多巴胺的前体,因此也被用于治疗帕金森氏症。

韦特的研究发现,左旋多巴也正是贻贝之所以能粘着在岩石上的原因。

左旋多巴分子的关键结构,是邻苯二酚侧链,它是由一个苯环和连接在苯环上的两个羟基组成的。而这些羟基会和岩石、船壳以及任何贻贝试图贴附的东西结合在一起。

  

 

图三:左旋多巴,左边的邻苯二酚结构是贻贝粘附的关键

继韦特的发现之后,其他科学家也陆续发现了许多种不同的贻贝“胶水”。它们都含有左旋多巴。现在这些物质被统称为“贻贝粘着蛋白”(mussel adhesive proteins),简称MAPs

从贻贝到生物胶水

在贻贝粘着蛋白研究领域,最激动人心的问题是:我们怎么才能把这些分子用于人类世界?这也促使科学家们做了很多围绕贻贝进行的研究。科学家们不仅在贻贝的启发下发明了好几种“贻贝胶水”,还由此研发出了一种富含邻苯二酚、能够自愈的聚合物。

科学家合成的“贻贝胶水”,其中也富含左旋多巴或者其他带有邻苯二酚结构的化合物。它们被开发成手术工具,用于治疗疾病。这其中一个很有前景的应用,就是在产前对胎儿进行手术(注:这种手术的目的是治疗某些发育缺陷)。对胎儿进行手术一直是一个巨大的挑战,因为包裹他们的胎膜特别脆弱,难以缝合。但是在贻贝胶水的帮助下,手术就容易多了。贻贝胶水在潮湿环境中依然能发挥它的粘着力,也不会引发难以解决的免疫反应(更多阅读Mussel Glue Could Help Repair Birth Defects)。

防水胶水还能协助治疗动脉板块。在治疗斑块造成的血管狭窄时,医生常会通过球囊和支架来扩张血管,支架还会包裹上抑制血管内皮增生的药物。不过当它们被安置到位时,释放出的药物至少有95%都会被血流冲走。而采用特殊的生物胶水把药物“粘住”,就可以大大减少药物的浪费,并延长支架的使用时间。

赫伯特•韦特实验室的研究者们不仅在贻贝的启发下发明了好几种“贻贝胶水”,他们还开发出了一种富含邻苯二酚、能够自愈的聚合物。它的潜在应用包括制造人工膝盖和髋关节,这样几乎不需要额外的手术就能维持正常。

贻贝胶水还有另外一个可能的应用,不过这就有点违反直觉了。

现代海运行业面临的一大问题是,他们的船体上会附着越来越多的不速之客,包括贻贝、海藻、藤壶和其他有壳生物。这一现象被称为“生物淤积”,它会增加阻力,让油费飙升。过去人们常使用有毒化合物(三丁基锡,TBT)来防止淤积,但是如果有毒物质进入环境,就会带来严重的生态问题,所以现在全世界都禁止使用这种物质。

而生物胶水给我们指出了另一条解决之道。我们或许可以用它把其他危害性较小的抗淤积物质紧紧粘在船体底部,由此就能避免造成环境污染。现在,科学家们已经揭开了贻贝的粘着之谜,或许我们可以反过头来,利用防水胶水来防止贻贝粘着了。

 

注:本文转自http://www.guokr.com

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