印度洋深海熱液區貽貝足絲結構和性能特征研究*

謝林青 曹 為 蔣鳳華 李景喜 孫承君, 2

印度洋深海熱液區貽貝足絲結構和性能特征研究*

謝林青1曹 為1蔣鳳華1李景喜1孫承君1, 2①

(1. 自然資源部第一海洋研究所 海洋生物資源與環境研究中心 自然資源部海洋生態環境科學與技術重點實驗室 山東青島 266100; 2. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋藥物與生物制品功能實驗室 山東青島 266200)

貽貝營半固著生活, 依靠足絲將自己牢固地黏附在底物上。足絲的結構和性能對貽貝的正常生命活動至關重要。為研究熱液區極端環境下深海貽貝足絲的結構和性能, 采集了印度洋龍旂深海熱液區的貽貝()足絲, 對其力學特性、結構特征和組分進行了分析。力學性能測試發現與近海貽貝()相比,足絲的力學性能表現為模量小、彈性小、彈性緩沖較差。傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform infrared spectrometer, FT-IR)分析顯示深海熱液區貽貝足絲的主要成分是膠原蛋白, 官能團特征顯示足絲蛋白含大量的β折疊結構, 足絲近端和遠端的二級結構梯度較小。掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)結果顯示熱液區貽貝足絲表面光滑, 內部結構呈纖維狀整齊排列。氨基酸分析結果顯示深海熱液區貽貝足絲中甘氨酸、脯氨酸含量高于近海貽貝足絲, 這可能會增加足絲蛋白中三螺旋結構的穩定性, 使足絲在熱液環境中保持性能穩定。熱液區深海貽貝足絲獨特的力學性能、結構特征和組分特征為研究熱液區貽貝的環境適應性提供了一定的基礎。

熱液區貽貝; 足絲; 力學性能; 傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform infrared spectrometer, FT-IR); 掃描電鏡; 氨基酸分析

貽貝是一種營半固著生活的軟體動物, 主要生活在近海的潮間帶和潮下帶等地。近些年來研究發現, 在深海冷泉(Cosel, 1998)、大洋熱液區(Duperron, 2019)也有貽貝生活的痕跡。為了對抗海洋惡劣的生存環境, 貽貝在漫長的進化歷程中形成了一種特殊的固定器——足絲, 成為研究海洋環境中生物黏附和梯度功能材料的模式生物(Waite, 2005)。目前對于足絲的研究主要集中在足絲的生物黏附機制和仿生材料(剛性與韌性兼顧的梯度材料)的開發方面。近海貽貝的足絲主要分為兩部分: 絲和黏附盤, 而絲又可分為遠端剛性區和近端彈性區, 貽貝通過足絲在潮濕或水下環境中能夠牢固地黏附在多種底物上(圖1a)(Aldred, 2006; Harrington, 2018)。足絲主要由蛋白質組成(大約97%), 目前從貽貝足絲中已經鑒定出至少十一種主要的黏附蛋白: 膠原蛋白(precollagen, preCOL)、足絲基質蛋白和貽貝足蛋白(Mussel foot protein, Mfp)等(Ravindranath, 1972; Sun, 2002)。三種膠原蛋白(preCOL-D, -P和-NG)構成了足絲內部的主體, 其中preCOL-D和-P膠原蛋白呈梯度分布, 兩者具有不同的力學特征。這種不同的力學特征主要來自于preCOL-D和-P的側翼結構域, 它們分別類似于剛性蜘蛛絲和彈性蠶絲蛋白(Waite, 2002; Hassenkam, 2004)。這種具有不同力學特征蛋白的梯度分布使得足絲具有極好的韌性, 在遭遇外力作用時足絲能夠在短時間內吸收大量能量來實現力量緩沖(Waite, 2002)。貽貝足蛋白主要分布在足絲的表層和黏附盤中, 對貽貝足蛋白(Mfp)的表征分析發現Mfp-1、-3和-5中含有大量的3,4-二羥基-L-苯丙氨酸(dihydroxyphenylalani, DOPA)(Hassenkam, 2004)。研究發現貽貝足絲的強黏附能力與DOPA有關, 足蛋白中的DOPA通過參與金屬螯合(Zeng, 2010)、共價結合(Yu, 2013)以及氫鍵結合(Kim, 2017)等方式來增強足絲的黏附能力。但是由于我們對分子層面和多維結構材料了解不夠深入, 且貽貝足蛋白DOPA中鄰苯二酚本身不穩定, 容易氧化, 因此仿足絲蛋白黏附材料的應用受到很大限制。近海貽貝足絲表層覆蓋著4～5 μm厚的保護性角質層, 其中Mfp-1是主要成分, 由Mfp-1組成的角質層既能保護足絲內部又能承受內部所表現的近70%的應變(Harrington, 2018)。這種角質層結構使得具梯度力學性能的足絲有優異的抗接觸形變和損壞的能力, 同時在海洋環境中也能夠幫助足絲抵抗海水侵蝕和細菌感染(Kim, 2016)。因此近海貽貝足絲的結構和功能對其適應環境具有重要作用。

圖1 貽貝和足絲圖

注: a. 貽貝足絲結構示意圖; b. 近海貽貝(); c. 深海貽貝()

隨著對海洋特殊生境研究的深入, 研究發現深海貽貝通常在大洋深海熱液區生物中占主體地位。Distel等(2000)提出近海貽貝可能通過木頭、鯨落等途徑轉移到深海定居, 成為深海貽貝的祖先。Sun等(2017)通過基因系統發育研究發現近海菲律賓偏頂蛤()是深海偏頂蛤()的祖先, 深海貽貝()是近海貽貝()在一億多年前移居到深海進化而來的。到目前為止, 科學家已經在印度洋、大西洋以及太平洋多個深海熱液區都發現了深海貽貝, 對這些深海貽貝的研究主要集中在深海貽貝共生菌(Duperron, 2016)、基因組和系統發育(Sun, 2017)等方面。最近Zhou等(2020)、李景喜等(2017)和Bebianno等(2018)分別對西太平洋、西南印度洋和大西洋中脊等地的熱液區貽貝體內的重金屬及指示物進行分析, 研究熱液區貽貝在深海熱液環境下的重金屬適應, 還有一些學者從生物節律(Mat, 2020)、種群調節因素(Metaxas, 2015)等方向對深海熱液區貽貝展開研究分析, 從進化、種群等方面探索熱液區貽貝對深海熱液環境的適應性。由于熱液區熔巖噴口中心溫度極高, 能達到350～400 °C, 以噴口為中心向外圍溫度逐漸降低, 生物也隨著噴口溫度向四周輻射分布(魏曼曼等, 2012)。這種奇特的極端生存環境(高溫、高壓、低營養、高鹽等)也造就了熱液區獨特的貝類群落和生態習性等。但是目前對于熱液區深海貽貝足絲的結構和功能研究非常少。

貽貝足絲結構和功能是探索深海貽貝適應熱液區極端環境的重要方面, 因此為探索熱液區深海貽貝足絲的結構和功能特點, 本文采集了西南印度洋熱液區深海貽貝足絲, 利用光學顯微鏡和掃描電鏡對印度洋熱液區深海貽貝足絲進行形貌表征, 通過力學性能測試發現深海熱液區貽貝足絲不同于近海貽貝足絲的力學性能表現。然后采用氨基酸分析和傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform infrared spectrometer, FT-IR)對足絲組分進行分析。結果顯示印度洋熱液區深海貽貝足絲在結構、組成和力學性能方面與近海貽貝足絲存在明顯差異。這為深海貽貝足絲結構和功能的探索以及研究印度洋熱液區深海貽貝的生物適應性提供了一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料準備

熱液區深海貽貝, 深海偏頂蛤屬, 于2019年4月利用無人潛器海龍II ROV采集于西南印度洋中脊龍旂熱液區(37°82′S, 49°58′E), 采集水深2 700 m。將ROV采集的熱液區深海貽貝放到解剖盤內, 將貽貝剖開, 將足絲從根部取出后馬上置于50 mL一次性離心管中, 密封保存在4 °C冰箱內。去除所有足絲的深海貽貝則馬上轉移至-80 °C超低溫冰箱中冷凍保存。近海貽貝, 又稱紫貽貝, 采集自青島近海(36°10′N, 120°54′E), 采集后馬上將轉移至實驗室天然海水槽中, 利用橡皮筋將貽貝松弛地簡單固定到纏有魚線的塑料底板上, 通氣培養, 采集足絲, 通常一星期內可反復多次采集其足絲, 采集后的足絲用過濾海水沖洗去除表面雜質后密封, 置于4 °C冰箱保存。本研究所采用的深、近海貽貝足絲分別取自至少10只熱液區深海貽貝和近海貽貝, 每只貽貝取用3～5條足絲。貽貝圖片如圖1b和圖1c所示。

1.2 力學檢測

利用配備測量功能的體式顯微鏡(SMZ1270, Nikon)觀察熱液區貽貝和近海貽貝的足絲外觀形貌, 并測量其直徑以及長度, 然后再對足絲的力學性能進行測量表征。本研究采用電子拉力試驗機(Criterion C42, MTS)對足絲力學性能進行測試, 采用微量拉伸夾具和模板。在測試前先將足絲的兩端通過雙面膠和小塊A4紙配合固定在氣壓式夾具上, 夾具的運行氣壓保證在0.4 MPa左右, 防止測試過程中足絲打滑和夾具夾壞足絲。拉伸試驗過程中通過微淋霧方式對足絲進行保濕, 足絲測試長度保持在5～10 mm之間, 以便使夾具兩端保留足夠長的固定長度, 減少實驗誤差, 所有測試速度均設為5 mm/min。斷裂拉伸測試進行至足絲斷裂(Vaccaro, 2001)。進行應力-應變循環測試足絲緩沖能力時, 先將足絲拉伸至20%伸長后再按實驗速度返回初始狀態, 即0～20%～0為一次拉伸循環, 反復循環3次。為保證足絲的恢復時間, 每兩個循環間隔30 min以上。通過彈性模量對足絲力學性能進行分析, 彈性模量是足絲拉伸過程中彈性變形階段應力-應變曲線的直線段的斜率, 用應力差值/應變差值的形式進行計算。應力為單位面積上的所受的力, 應變為形變量與原來的長度的比值。對所有數據進行單因素方差分析(= 0.05), 以評估統計學意義。

1.3 FT-IR分析

紅外光譜是蛋白結構分析的重要的方法之一(丁靜等, 2020), 它能夠提供許多關于官能團的信息, 可以幫助確定部分乃至全部分子類型及結構。為了檢測.和.足絲的基本組成, 本研究采用FT-IR (Spotlight 400, PerkinElmer)進行結構檢測分析(Hagenau, 2009)。為檢測足絲內部成分, 在實驗前先對保存的貽貝足絲近端和遠端進行縱切面處理, 暴露出足絲內部后, 冷凍干燥12 h保持其原狀備用。在足絲紅外檢測前, 先進行4 000～1 000 cm–1波數紅外光譜掃描扣除環境水氣背景, 校準儀器背景值。然后將干燥后的足絲放置在FT-IR載物臺上, 設置好儀器參數, 分辨率: 8 cm–1; 每像素掃描: 16; 像素尺寸: 6.25 μm; 干涉儀速度: 1.0 cm/s; 樣品尺寸: 300×300 μm, 進行4 000～2 500 cm–1和1 800～1 000 cm–1波數紅外光譜掃描。

1.4 掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)和元素分布

利用 SEM (Regulus 8100, Hitachi)對和足絲的內外微觀形貌進行分析表征。首先將之前冷凍干燥后的樣品放入噴金裝置(ION SPUTTER MC 1000, Hitachi)中, 10 mA下噴金30 s, 通過噴金增加足絲的導電性從而增強電鏡觀察效果。然后將噴金樣品用雙面碳導電膠帶固定于掃描電鏡的樣品臺上, 進行電鏡觀察, 同時對足絲成像區表面和內部進行能譜(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)分析, 分析選擇區域的元素組成。

1.5 氨基酸組成

通過傳統的酸水解后用色譜法分析.足絲氨基酸含量組成(吳怡等, 2021)。本研究采用異硫氰酸苯酯柱前衍生法進行分析。首先準確稱取干燥后.足絲20 mg放于安培瓶中, 加入10 mL 6 mol/L的鹽酸, 充入氮氣后密封。在110 °C烘箱水解24 h后減壓蒸干, 再用0.02 mol/L鹽酸定容至10 mL。量取制備好的足絲水解樣品200 μL, 置于1 mL離心管中, 加入100 μL三乙胺溶液, 100 μL異硫氰酸苯酯, 混勻后室溫放置1 h。然后加入400 mL正己烷振搖后放置10 min, 取下層溶液, 用0.45 μm濾膜過濾后利用HPLC進行分離分析。儀器采用Agilent1100液相色譜儀, 色譜柱: 4.6×250 mm, 5μ Venusil-AA氨基酸分析柱; 柱溫: 40 °C, 檢測波長: 254 nm, 流動相A: 0.1 mol/L醋酸鈉(含7%乙腈), 流動相B: 80%乙腈, 流速1 mL/min梯度洗脫。通過計算機系統獲取洗脫數據后分析處理得到足絲中氨基酸含量組成。

2 結果與討論

2.1 基礎參數測量

外表呈鈍紡錘狀, 殼色多呈紅棕色、深黃色, 選用的成體殼長約7～8 cm、殼高約4 cm (圖1c); 近海.多呈黑褐色、半葉狀, 成體殼長約長5～6 cm、殼高約3 cm (圖1b), 比熱液區貽貝體型略小。.足絲長度平均為14～24 mm, 直徑為200～450 μm;.足絲長度一般在40～50 mm, 直徑在50～100 μm之間(李希涓等, 2014), 其他近海貽貝足絲均表現為細長狀(Bouhlel, 2017)。通過圖2在體式顯微鏡下觀測的貽貝足絲形貌, 可以發現.足絲相較于近海.足絲明顯較為粗短, 黏附盤也相對較厚。

圖2 貽貝足絲光學顯微圖片

注: a.足絲; b.足絲; 比例尺: 1 000 μm

2.2 力學性質測量

力學測試結果顯示.足絲的彈性模量平均為5～50 MPa, 伸長率平均約70% (圖3a)。作為對比的.足絲彈性模量大約10～200 Mpa, 伸長率約150%。有文獻研究表明.足絲彈性模量大約200 Mpa左右, 伸長率高達200% (Waite, 2002), 其他幾種近海貽貝如、足絲彈性模量分別大約為400、300 Mpa (Lucas, 2002; Pearce, 2009)。通過對比, 可以發現.足絲彈性模量明顯小于近海., 伸長率不足.足絲的一半, 并且沒有明顯的屈服點。貽貝足絲屬于一類軟而韌的生物有機材料, 這類材料的力學性能特點是模量小、伸長大。彈性模量越小, 說明材料剛度越小, 柔性越好, 越容易發生變形。由于彈性模量主要受材料的組成鍵合方式、晶體結構、化學成分、微觀組織、溫度等影響, 因此深海貽貝足絲模量和伸長率明顯小于近海貽貝足絲的現象說明熱液區特殊的環境可能對熱液區貽貝足絲的組成結構產生了影響, 從而造成熱液區貽貝足絲性能與近海貽貝足絲性質的不同。

圖3 深海貽貝足絲拉伸和循環曲線

注: a.足絲拉伸曲線; b. 應力-應變循環曲線

通過應力-應變循環測量結果(表1), 我們發現.足絲在3次應力-應變循環過程中, 足絲彈性模量逐漸變大。而.足絲在第二次循環時彈性模量從600 Mpa急劇下降到100 Mpa并表現出屈服點消失, 當應變超過其屈服點時表現出顯著的應力軟化, 即第二次循環的初始模量明顯降低。足絲遲滯緩沖也隨之變小(Waite, 2002), 保留了17%的初始剛度, 第三次循環僅恢復到原來剛度的30%, 說明近海貽貝足絲經過一定的時間可以恢復和保持彈性, Vaccaro等(2001)發現近海貽貝足絲的屈服點在24 h后可以恢復。.足絲第一次循環的彈性模量約40 Mpa, 模量在接下來的循環2和循環3呈現增大趨勢, 沒有表現出明顯的彈性恢復。考慮到.足絲伸長率較低, 所以將足絲應變循環設置為0～20%～0的應變, 由于.足絲并沒有明顯的屈服點, 也沒有出現.足絲循環過程中的應力軟化以及剛度恢復, 因此.足絲在拉伸過程中產生了一定的塑性變形, 這部分變形是不可恢復的。.足絲在第二、三次循環過程中前期并不需要明顯的外力即可拉伸, 這與形變有關, 中后段其拉伸應力變大, 彈性模量也隨之變大, 足絲的剛度則越來越強(圖3b), 這與其斷裂前只有少量宏觀變形發生形成斷裂相對應(圖3a陰影區), 這也能說明熱液區貽貝足絲組成結構與近海貽貝足絲存在差異。貽貝足絲的結構組分是和它的力學性能、生活環境相適應的。深海貽貝足絲這種獨特力學性能是熱液區貽貝長期適應深海環境的結果。深海熱液環境具有高壓、高溫、高鹽、以及受重金屬影響較大等特點, 貽貝所處區域深海環境流場又相對穩定, 海流較弱, 也不受風浪影響, 這與近海貽貝需要適應頻繁的近海潮汐外力作用和泥沙摩擦作用非常不同, 因此深海貽貝足絲對抗頻繁的周期性外力作用的壓力可能會相對減小。所以適應條件相對溫和的深海環境, 深海貽貝的足絲變得比較粗短且變形能力弱, 在力學性能方面則表現為模量小, 伸長率小。

表1 貽貝足絲應力-應變循環彈性模量(MPa)

Tab.1 Stress-strain cyclic modulus of mussel byssus

2.3 SEM和EDS元素分布

貽貝足絲SEM結果顯示(圖4a, 4b),.足絲表面相對光滑整潔, 而.足絲表面呈現出崎嶇不平的凹凸狀壟溝形貌, 存在大大小小的顆粒狀結構, 這些顆粒狀結構既可以保護足絲免受海水中細菌侵蝕以及外力磨損也可以承受足絲內部大部分應變(Harrington, 2018)。而從圖4e和4f足絲遠、近端內部SEM圖像來看,足絲內部為整齊排列的纖維狀結構,足絲遠端也呈現出緊密的纖維狀結構, 近端則呈現出一些交錯相連的結構。足絲表面顆粒狀使得其足絲表層的硬度和剛度比內部高, 但是二者的彈性模量相差無幾, 這種獨特的顆粒狀結構可以作為微球增強復合材料來平衡足絲受力(Harrington, 2018)。而.足絲表面光滑, 并沒有高剛度、硬度的顆粒狀結構, 足絲近端和遠端內部無明顯梯度結構, 內部結構排列較為穩定。深海貽貝足絲光滑的表面以及內部不明顯的梯度結構與力學特點一樣, 也是其適應深海環境的表現。由于深海貽貝無需像近海貽貝一樣對抗頻繁的潮汐作用, 深海環境又相對溫和, 因此深海貽貝受到外力和磨損(如泥沙沖刷、潮汐拖曳)明顯減小, 不需要足絲表面的顆粒狀增強復合結構來幫助其抵抗摩擦。EDS對足絲內部元素的分析結果(圖5)顯示, 除了溴沒有在近海貽貝足絲的近端檢測出外, 其他幾種元素在兩種貽貝的足絲近端里組成相近。而在足絲遠端, 兩種貽貝足絲內部除了硫, 其他元素相差較少, 但總體來看兩種貽貝足絲內部的主要元素含量接近。

圖4 貽貝足絲SEM圖像

注: a.s足絲表面; b.足絲表面; c.足絲遠端內部; d.足絲遠端內部; e.足絲近端內部; f.足絲近端內部

圖5 貽貝足絲內部EDS元素分析

注: A.足絲遠端; B.足絲遠端; C.足絲近端; D.足絲近端

2.4 FT-IR分析

為進一步研究兩種貽貝足絲內部的結構組成差異, 本文進行了FI-IR檢測分析。根據FT-IR譜圖(圖6),.足絲兩端內部在酰胺A帶(3 250～3 300 cm–1)、酰胺I帶(1 700～1 600 cm–1)以及酰胺III帶(1 220～1 330 cm–1)都有較為明顯的吸收峰, 而酰胺A、酰胺I和酰胺III是天然膠原蛋白所具有的特征吸收峰(陳靜濤等, 2008), 除了膠原蛋白中明顯的3種酰胺吸收峰外, 在足絲內部還發現有酰胺B帶(3 000～3 100 cm–1)以及酰胺II帶(1 600～1 500 cm–1),所以深海貽貝足絲內部和近海貽貝足絲一樣含有膠原蛋白結構。但是在氫鍵區(4 000～2 500 cm–1),兩端在2 975～2 845 cm–1波數(圖6長方形陰影區)存在兩個明顯的亞甲基(—CH2—)基團, 即2 916 cm–1峰位的(—CH2—)對稱伸縮振動和2 848 cm–1峰位的(—CH2—)反對稱伸縮振動。這兩種亞甲基信號在近海足絲兩端紅外光譜中并沒有明顯發現。除此之外, 在單鍵區(1 500～1 000 cm–1),足絲還有1 120 cm–1左右峰位的C-O吸收(圖6b橢圓陰影區域), 在近海.足絲兩端紅外光譜中也缺少此吸收的信號, 因此深海熱液區貽貝足絲與近海貽貝足絲在組成成分上有明顯差異。由于醇、酸、酯、內酯的C-O吸收在此吸收峰區域, 因此熱液區貽貝足絲可能含有更多此類物質, 但C-O吸收信號具體歸屬于何種物質還有待進一步研究。

本文通過分析酰胺I和II帶的最大值, 對足絲內部的二級結構進行預測。酰胺I峰位的波數表示三螺旋結構和β-結構, 對于足絲遠端, 酰胺 II信號在1 528 cm–1處的最大值表明存在β折疊結構。對于近端部分, 近海貽貝足絲在酰胺II信號最大值為1 543 cm–1, 表明α螺旋結構明顯(Hagenau, 2009)。貽貝足絲在酰胺II信號最大值為1 532 cm–1則表明β折疊結構明顯。Hagenau等(2009)通過對酰胺I帶反卷積后洛倫茲擬合, 發現近海貽貝足絲遠端主要是β-折疊結構, 近端則由α-螺旋、超螺旋、β結構組成。對足絲二級結構的分析預測, 發現其足絲遠端和近海貽貝足絲相近, 可能有大量的β-折疊結構, 而足絲近端則主要是由超螺旋和α-螺旋結構組成。足絲近端的超螺旋和α-螺旋可以使足絲變得更佳穩定、不易破壞, 從而能夠更有效地適應熱液環境可能帶來的接觸形變和破壞。

2.5 氨基酸組成分析結果

貽貝足絲氨基酸檢測過程中由于檢測前先對樣品進行酸水解, 導致色氨酸被鹽酸水解破壞無法檢測出, 天冬酰胺和谷氨酰胺側鏈的酰胺基被水解成了羧基, 因此氨基酸分析結果中并沒有列出色氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺的含量。根據足絲氨基酸分析結果(圖7), 可以發現足絲中脯氨酸和甘氨酸含量高于近海貽貝足絲, 其中甘氨酸含量大約29%, 脯氨酸大約9%。貽貝足絲主體結構是由類似于膠原蛋白的preCOL組成的, 而膠原蛋白是由3條左螺旋結構多肽鏈通過鏈間氫鍵相互咬合形成牢固的右手超螺旋結構。膠原蛋白復合螺旋區中其氨基酸通常呈現(甘氨酸-X-羥脯氨酸)n周期性排列(Engel, 2005), 甘氨酸側鏈的單個氫原子大空間使得膠原蛋白纖維非常緊密地締合, 從而促進氫鍵和分子間交聯的形成, 所以膠原蛋白的高甘氨酸含量對于膠原蛋白螺旋的穩定性是非常重要的(Reiser, 2012)。而脯氨酸由于其亞氨基酸結構往往使得肽鏈中形成“結節”, 在膠原蛋白結構中能夠促進鏈內螺旋(Shoulders, 2009)。同樣脯氨酸在X-a-a位置的環折疊對三螺旋穩定性也很重要(Bella, 2016), 同時Pro的吡咯環所施加的構象限制對于膠原三螺旋結構的完整性是至關重要的(Kersteen, 2001; Egli, 2020)。足絲中的高甘氨酸和脯氨酸可以使三螺旋結構之間匹配的氫鍵更多, 從而有利于穩定類膠原蛋白的三螺旋結構。通過這種更穩定的膠原三螺旋結構,足絲可以更有效地在深海熱液特殊環境中發揮其功能。

圖6 貽貝足絲遠端和近端內部FI-IR圖譜

脯氨酸能夠促進膠原蛋白中肽鏈螺旋結構的穩定, 同時也會導致肽鏈中β折疊、轉角二級結構的出現,.足絲中脯氨酸量比近海貽貝足絲中高, 這也與我們對熱液區貽貝足絲FT-IR譜圖酰胺位擬合后的二級結構分析相符合, 熱液區貽貝足絲近端主要是超螺旋和α-螺旋, 遠端則存在有大量β折疊、β轉角結構。另外足絲中谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸含量也比近海足絲略高一點, 這幾個氨基酸側鏈都有雙亞甲基的存在, 這也與紅外圖譜中熱液區貽貝足絲遠端特有的亞甲基峰相對應。熱液區貽貝足絲中高脯氨酸通過與高甘氨酸鏈間氫鍵結合可增強螺旋穩定性, 促進三螺旋結構穩定, 從而使得熱液區貽貝足絲結構更加穩定。氨基酸以及紅外光譜分析表明足絲內部化學結構和組分可能比近海貽貝足絲更為穩定。這種穩定的結構會讓深海貽貝足絲的化學性能更為穩定, 從而使得深海貽貝能夠更好地適應深海極端環境。

3 結論

通過分析發現, 熱液區貽貝足絲表面光滑無高剛度、硬度耐磨的顆粒狀結構, 而內部蛋白結構和組分更偏于穩定結構。深海熱液區貽貝足絲的彈性模量較小, 伸長率也比較小, 彈性模量、伸長率小說明深海貽貝足絲剛度小、柔性好、變形能力較差, 相反地是其彈性緩沖較差。熱液區貽貝足絲這種獨特的低彈性模量、低伸長、高穩定性結構可能更有利于其適應外力相對較弱的深海熱液區環境。近海貽貝由于身處近岸潮間帶, 受到潮汐和海沙等外力作用, 為了對抗這種反復性外界作用力, 其足絲具有良好的力學性能, 即高延伸、低模量、彈性恢復、耐磨損。移居到深海熱液區后, 熱液區貽貝受周期性外力影響相對較小, 也無需頻繁對抗外界磨損破壞, 表層耐磨顆粒在長期適應深海熱液區環境過程中消失。而為了應對深海熱液區的極端條件的影響, 貽貝進化出高穩定性的足絲蛋白結構, 同時熱液區貽貝足絲也變得粗短、柔軟。對深海貽貝足絲這種獨特的力學性能和內部穩定、高強度結構的研究有助于我們研究熱液區貽貝對環境的適應性, 對開發和利用深海生物材料也提供了基礎。

圖7 M. galloprovincialis和B. marisindicus的足絲氨基酸組成分析

注:足絲貽氨基酸組成貝源自Benedict等(1986)

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THE STRUCTURE AND PERFORMANCE OF MUSSEL BYSSUS IN THE DEEP-SEA HYDROTHERMAL AREA OF THE INDIAN OCEAN

XIE Lin-Qing1, CAO Wei1, JIANG Feng-Hua1, LI Jing-Xi1, SUN Cheng-Jun1, 2

(1. Key Laboratory of Marine Eco-Environmental Science and Technology, Marine Bio-resource and Environment Research Center, First Institute of Oceanography,?Ministry of Natural Resources, Qingdao 266100, China; 2. Laboratory of Marine Drugs and Biological Products, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266200, China)

The structure and performance of the byssus of mussels are essential to the normal life of mussels. To study the structure and performance of deep-sea mussel byssus in the extreme environment of the hydrothermal area,byssus were collected from the deep-sea hydrothermal area of Longqi, Southwest Indian Ocean, and their mechanical properties, structural characteristics, and components were analyzed. Compared with offshore mussels (), the mechanical properties ofbyssus are characterized by small modulus, low elasticity, and poor elastic cushioning. Analysis with Fourier Transform infrared spectrometer showed that the main component of mussel byssus in the deep-sea hydrothermal area was collagen. The functional group characteristics showed that the byssus protein contains a large number of β-sheet structures, and the secondary structure gradient at the proximal and distal ends of the byssus is small. Scanning electron microscopy results show that the surface of the mussel byssus in the hydrothermal area is smooth, and the internal structure is fibrous and orderly arranged. The results of amino acid analysis show relative high glycine and proline in the mussel byssus from the deep-sea hydrothermal area. The high glycine and proline may increase the stability of the triple helix structure of byssus protein and enable the byssus maintain stable performance in the hydrothermal environment. This study revealed the unique mechanical properties, structural characteristics, and composition characteristics of deep-sea mussel byssus in the hydrothermal area, and provided a basis for understanding the environmental adaptability of the mussels in hydrothermal area.

hydrothermal area mussel; byssus; mechanical property; Fourier Transform infrared spectrometer; scanning electron microscope; amino acid analysis

*自然科學基金, 41776177號; 青島海洋科學與技術試點國家實驗室基金, 2016ASKJ14號, QNLM2016ORP0403號; 中國大洋礦產資源研究項目, DY135-E2-1-07。謝林青, 碩士研究生, E-mail: 18563151224@163.com

孫承君, 博士生導師, 研究員, E-mail: csun@fio.org.cn

2021-09-16,

2021-10-25

Q586

10.11693/hyhz20210900213