趨磁細(xì)菌蛋白參與磁鐵礦生物礦化機制的研究進(jìn)展

崔琪琪,陶童祥,馬 坤

(1．中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心,中國安徽合肥230031;2．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),中國安徽合肥 230026)

生物礦化是生物控制或生物誘導(dǎo)的礦物質(zhì)沉積過程。在生物礦化形成無機納米材料過程中,蛋白質(zhì)和其他生物大分子被認(rèn)為在調(diào)控材料的尺寸和形狀方面起著重要作用[1～2]。同時,生物有機體可以以一種不利于晶體學(xué)對稱性的方式調(diào)整其礦物的形態(tài)。以趨磁細(xì)菌形成的細(xì)長磁鐵礦晶體為例,磁鐵礦是一種尖晶石礦物,是在立方型晶體基礎(chǔ)上生長形成的[3]。生物礦化產(chǎn)物還包括具有短程有序的顆粒物質(zhì),例如由硅藻形成的二氧化硅。生物礦化可以將生物體的有機組織與無機材料聯(lián)系起來[4～5]。通過對生物礦化開展研究可以了解生物體如何利用有限的化學(xué)元素和環(huán)境在生理條件下形成功能材料[6～9]。這篇綜述主要介紹趨磁細(xì)菌中形成磁性納米顆粒(磁鐵礦)的生物礦化過程和趨磁細(xì)菌鐵蛋白在生物礦化過程中所發(fā)揮的作用。

1 磁小體膜蛋白參與的生物礦化過程

“磁感應(yīng)”細(xì)菌最初是在20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的,根據(jù)Bellini的報告從意大利語中翻譯為趨磁細(xì)菌[10～12]。1975 年 Blakemore[13]報道發(fā)現(xiàn)了趨磁細(xì)菌,研究者在美國馬薩諸塞州(Massachusetts-USA)Woods Hole的附近放置一個磁鐵來觀察趨磁細(xì)菌的運動方向,發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌改變了運動的方向,Blakemore把這個現(xiàn)象叫做趨磁性。這篇文章可以被認(rèn)為是微生物通過生物礦化產(chǎn)生鐵的第一份論文。后來人們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)這種行為的原因是在細(xì)胞體內(nèi)形成了磁性納米顆粒,而且這些納米顆粒排列成一條鏈嵌入膜中。這種由膜包裹著的納米顆粒組成的“細(xì)胞器”被稱為磁小體。

隨著幾種趨磁細(xì)菌菌株(如AMB-1、MSR-1和MS-1等)的基因研究的深入,趨磁細(xì)菌已經(jīng)成為生物礦化研究的模型系統(tǒng)[14～17]。此外,由于生物技術(shù)和納米技術(shù)的進(jìn)步,趨磁細(xì)菌的磁小體已被證明具有潛在的生物學(xué)應(yīng)用價值[17～20]。趨磁細(xì)菌磁小體的合成可以分為以下幾個步驟:1)趨磁細(xì)菌生物膜內(nèi)陷形成囊泡;2)從環(huán)境中吸收鐵并將其運輸?shù)健凹?xì)胞器”;3)形成具有可控尺寸和形態(tài)的磁性納米顆粒;4)將磁小體排列成有序的納米結(jié)構(gòu)[3,21～22]。

趨磁細(xì)菌是革蘭氏陰性菌,它在細(xì)胞形態(tài)、環(huán)境起源和系統(tǒng)發(fā)育方面具有多樣性[23～25]。趨磁細(xì)菌可以對磁場產(chǎn)生感應(yīng)作用的關(guān)鍵是含有磁小體。磁小體是膜包裹的磁鐵礦(Fe3O4)或者硫鐵礦(Fe3S4)納米顆粒[17,21,26～29]。由于生物膜的包裹,晶體表現(xiàn)出完美的礦物結(jié)構(gòu),不會出現(xiàn)偏離氧化形式的磁赤鐵礦,并且可以防止納米顆粒被氧化[30]。磁小體中納米顆粒晶體的尺寸和形貌是由菌株的特異性和基因控制的。磁小體的尺寸對于同一種菌株來講是固定的,但對于不同的菌株而言是不同的,范圍在 35～80 nm[31～34]。在目前已知的趨磁細(xì)菌菌株中,其菌體形態(tài)和磁鐵礦晶體的形貌都是固定的[35～36]。尺寸和形貌的穩(wěn)定使得晶體具有單磁籌的特性,因此每個磁小體顆粒都可以充當(dāng)永磁體。

趨磁細(xì)菌中的磁小體以鏈的形式存在[33],磁小體鏈由數(shù)十個單獨的磁性納米粒子組成[3],這些磁性納米顆粒鏈沿著趨磁細(xì)菌鞭毛方向呈長軸排列[21]。鏈中的納米粒子具有不同的晶體形狀,包括八面體、立方體、六角棱柱形、子彈、淚珠和箭頭的形狀[34,37～39]。根據(jù)趨磁細(xì)菌生物礦化的產(chǎn)物類型,趨磁細(xì)菌可以分成兩個種類:一種是產(chǎn)生鐵氧化物的趨磁細(xì)菌,另一種是產(chǎn)生鐵硫化物的趨磁細(xì)菌[40]。

在趨磁細(xì)菌形成磁鐵礦過程中,趨磁細(xì)菌主要通過磁小體膜上的蛋白質(zhì)控制磁鐵礦的生物礦化[33]?，F(xiàn)有研究報道,這些蛋白質(zhì)均由磁小體基因編碼,并且這些基因在趨磁細(xì)菌的基因組中成簇存在[23,33,41～44]。趨磁細(xì)菌的磁小體膜蛋白主要有兩種功能類別,即磁性納米顆粒的生物礦化過程必不可少的蛋白質(zhì)(包括 MamB、MamM、MamA、MamE、MamO、MamN等)和不確定對生物礦化是否有作用的蛋白質(zhì)(包括 MamH、MamX、MamY、MamZ、MamC、MamG等)[34,45]。其中,MamQ和MamL控制囊泡的形成,MamJ和MamK控制磁小體鏈的形成[34,46],MamF、MamD、MamT、MamP、MamR、MamS、Mms6、MamB 和 MamM 控制 Fe3O4的合成[14,47～50]。這些蛋白質(zhì)可以對磁小體納米顆粒的尺寸分布和晶型進(jìn)行嚴(yán)格的遺傳控制[26,51～53]。研究顯示,當(dāng)趨磁細(xì)菌缺乏表達(dá) MamA、MamE、MamO、MamB、MamM、MamN蛋白的基因時,其只能形成沒有磁性納米顆粒的空磁小體囊泡,而且相關(guān)的基因敲除實驗已經(jīng)確認(rèn)了這些磁小體膜蛋白的功能[14～15,47～49,50～52,54]。

圖1展示了磁小體膜蛋白參與趨磁細(xì)菌生物礦化產(chǎn)生磁小體的過程。磁小體囊泡代表生物礦化的位點,為磁性納米顆粒的生長提供有利的化學(xué)環(huán)境。黑色六邊形符號呈現(xiàn)了磁小體囊泡內(nèi)磁性納米顆粒的生長過程。磁小體的膜上含有與生物礦化相關(guān)的蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)是與磁小體相關(guān)的Mam/Mms蛋白。

2 趨磁細(xì)菌鐵蛋白參與的生物礦化過程

除了磁小體膜蛋白對磁鐵礦的形成有調(diào)控作用以外,鐵蛋白在生物礦化形成磁鐵礦過程中也發(fā)揮著重要的作用。鐵蛋白是生物體中主要的鐵貯存蛋白質(zhì),對鐵穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要,并參與多種生理過程[55～58]。鐵蛋白中可含有多達(dá)4 000個的鐵離子,并通過鐵蛋白的外殼保護使其保持在溶液中[56]。趨磁細(xì)菌中的鐵蛋白作為鐵離子的存貯器能夠為趨磁細(xì)菌合成磁小體提供所必需的鐵元素[55,59～60],故鐵蛋白被認(rèn)為是磁性納米顆粒的磁鐵礦的前體。鐵蛋白中的鐵類似于在趨磁細(xì)菌早期生長階段中觀察到的非結(jié)晶的水鐵礦,隨后在磁小體囊泡里轉(zhuǎn)化為磁鐵礦。

鐵蛋白是一種高度對稱而且穩(wěn)定的含鐵蛋白質(zhì),于1937年發(fā)現(xiàn)并被結(jié)晶出來,具有可以積累大量鐵的空腔[61]。鐵蛋白礦化機制是通過其鐵氧化酶活性以及特有的化學(xué)性質(zhì)使鐵元素礦化形成鐵氧化物。鐵蛋白主要存在于細(xì)胞質(zhì)中,也存在于細(xì)胞核、動物線粒體中,許多細(xì)胞的生理功能都由鐵蛋白主導(dǎo)。鐵蛋白可以抑制fenton反應(yīng)活性,因此鐵蛋白具有抗氧化功能并可控制亞鐵在細(xì)胞內(nèi)的可用性[56,62～63]。通常,鐵蛋白亞基單體不會在細(xì)胞中游離,而是以高度穩(wěn)定的二十四聚體或者十二聚體自組裝,并且游離的亞基容易在體外重新組裝以形成天然鐵蛋白,所以鐵蛋白可被用作藥物載體[64]。鐵蛋白在低pH值的條件下會解旋,但是當(dāng)pH值上升至中性時則會快速組裝,動力學(xué)分析表明該過程涉及到作為中間體的四聚體、六聚體和十二聚體[65～66],另外亞基之間的靜電排斥在一定程度上會減慢此反應(yīng)進(jìn)程。

為了避免鐵過量導(dǎo)致的毒性,細(xì)菌通過調(diào)節(jié)傳感蛋白基因的轉(zhuǎn)錄過程(例如鐵吸收調(diào)節(jié)劑Fur)來調(diào)控鐵的吸收、外排和代謝[58]。具有鐵儲存能力的鐵蛋白主要分為以下幾種:鐵蛋白ferritin(Ftn)、含有血紅素的細(xì)菌鐵蛋白Bfr、來自饑餓細(xì)胞的鐵蛋白Dps[56]。所有這些鐵蛋白都有一個四螺旋束結(jié)構(gòu)基序,并能夠自組裝成空心四聚體(Ftn,Bfr和Afr)或十二聚體(Dps或者Dps-like)納米籠,這種納米籠可以吞噬鐵礦物[67]。

圖1 磁小體膜蛋白參與生物礦化的示意圖(參照文獻(xiàn)[3]修改)Fig.1 The schematic diagram of magnetosome membrane proteins participating in biomineralization(modified from reference[3])

對于含有24個亞基的鐵蛋白,其有兩種單體類型,分別是重亞基(～21 kD)和輕亞基(～19 kD)。重亞基又稱為H鏈,包含178個氨基酸;輕亞基又稱為L鏈,包含171個氨基酸。H鏈帶有鐵氧化酶中心,這是鐵結(jié)合所必需的,而L鏈有利于空腔內(nèi)的鐵礦化。脊椎動物的鐵蛋白是雜聚物,以特定的H∶L比例組裝并隨生物體和組織的變化而變化[58]。目前,研究較多的是馬脾鐵蛋白(horse spleen ferritin,HSF),其由約10%的H鏈和約90%的L鏈組成。富含L鏈的鐵蛋白在鐵儲存器官中占主導(dǎo)地位,例如脾臟和肝臟,而心臟細(xì)胞和大多數(shù)腦細(xì)胞的鐵蛋白往往富含H鏈。顯然,H鏈和L鏈的比例在控制細(xì)胞中鐵濃度方面起著重要的作用[58,68]。鐵蛋白的核心是反鐵磁性的,具有240～460 K的奈爾溫度[69]。鐵蛋白磁芯的磁化強度比磁鐵磁化強度低約兩個數(shù)量級,并且鐵蛋白的磁矩范圍為100 μB至300 μB,而相似尺寸的磁鐵礦的磁矩約為104 μB[70]?；诘蛨龃呕屎痛呕瘻y量的結(jié)果表明鐵蛋白中的納米顆粒是超順磁性,并且即使在高達(dá)55 T的磁場中鐵蛋白納米顆粒依然沒有達(dá)到其飽和磁化強度[71～72]。

研究顯示,在趨磁細(xì)菌的生物礦化過程中,趨磁細(xì)菌鐵蛋白發(fā)揮了非常重要的作用[21]。在趨磁螺菌屬(Magnetospirillum)細(xì)胞的封閉膜體系中,鐵蛋白在形成亞鐵磁性的磁鐵礦(Fe3O4)晶體途徑中起著主要作用,這有益于趨磁細(xì)菌在其水棲息地找到缺氧或者厭氧的生長環(huán)境。早期的穆斯堡爾光譜和電子顯微鏡分析表明,Magnetospirillum中磁鐵礦的結(jié)晶是通過前體進(jìn)行的[73]。那么鐵蛋白在趨磁細(xì)菌磁鐵礦的生物礦化過程中到底發(fā)揮什么作用呢？

趨磁細(xì)菌中磁鐵礦的生物礦化過程必須從其周圍吸收形成礦物質(zhì)所必需的元素。在礦化形成磁鐵礦的情況下,氧元素來自于水[74],鐵元素來自于鐵蛋白從外部吸收的鐵離子形成的水合氧化鐵[73～74]。鐵蛋白參與磁鐵礦的形成過程如圖2所示:1)鐵(Fe2+或Fe3+)從環(huán)境中被吸收;2)被吸收的鐵元素在鐵蛋白內(nèi)部被轉(zhuǎn)化為微晶磁鐵礦;3)微晶磁鐵礦經(jīng)磁小體膜蛋白的相關(guān)作用后被生物膜包覆形成磁小體。

Baumgartner等[75]報道,鐵蛋白樣前體(包埋在鐵蛋白中的水鐵礦)位于磁小體囊泡外,而磁小體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦。這說明在趨磁細(xì)菌合成磁小體的過程中鐵蛋白中的水鐵礦可能是其前驅(qū)體。Luisa Fdez-Gubieda等[76]通過使用X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(X-ray absorption near edge structure,XANES)技術(shù)和高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscope,HRTEM),發(fā)現(xiàn)磁鐵礦也是從鐵蛋白中的水鐵礦前體快速生物礦化而來,而不是僅僅利用單獨鐵源從頭合成。

3 結(jié)語與展望

本文綜述了趨磁細(xì)菌的磁小體膜蛋白與鐵蛋白調(diào)控磁鐵礦合成的生理功能的最新研究進(jìn)展。那么在趨磁細(xì)菌磁鐵礦的生物礦化過程中鐵蛋白和C末端含有大量酸性氨基酸的蛋白質(zhì)之間存在什么樣的聯(lián)系？二者又是經(jīng)歷了怎樣的過程來共同支持了磁鐵礦的形成？我們課題組利用核磁共振波譜研究了Mms6蛋白在磁鐵礦形成過程中發(fā)揮的作用,發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌AMB-1中的Mms6蛋白在體外能控制磁性納米顆粒的形成,Mms6和Mms6C25均能與磁小體納米晶體結(jié)合,證明Mms6蛋白在磁鐵礦的合成過程中對鐵離子具有調(diào)控作用[77]。遺憾的是,鐵蛋白和C末端富含酸性氨基酸的這一系列蛋白質(zhì)在趨磁細(xì)菌生物礦化中是否有聯(lián)系至今并未證明。

圖2 趨磁細(xì)菌鐵蛋白參與生物礦化的機制示意圖(參照文獻(xiàn)[73]修改)Fig.2 The schematic diagram of the mechanism of ferritin participating in biomineralization of magnetotactic bacteria(modified from reference[73])

隨著趨磁細(xì)菌生物礦化過程的深入研究,許多科學(xué)家都在嘗試著將生物礦化技術(shù)應(yīng)用于技術(shù)材料的生產(chǎn)中,其中最為典型的就是模仿磁鐵礦生物礦化的過程來合成超順磁性磁性納米氧化鐵。目前,高度單分散磁鐵礦納米顆粒的合成路線需要水熱條件[78～79]或者高沸點溶劑[80～81],通常需要使用昂貴的有機金屬前體。先前的仿生研究通過控制反應(yīng)物供應(yīng)來影響磁鐵礦晶體的平均尺寸和磁性而取得了一些成功[38,77]。然而,迄今為止,仿生合成的磁性納米材料仍然與天然磁小體在性能上有著巨大的差距。

總的來講,盡管近年來人們對趨磁細(xì)菌生物礦化的研究不斷深入,但其分子機制仍然不明,例如:鐵蛋白如何吸收體外的鐵離子？吸收鐵離子后鐵蛋白內(nèi)形成的前驅(qū)體產(chǎn)物以及轉(zhuǎn)運位置具體是什么？磁小體膜蛋白究竟如何調(diào)控磁小體晶體成核與晶體生長？在礦化過程中鐵蛋白與磁小體膜蛋白的功能是否具有偶聯(lián)關(guān)系？對于這些科學(xué)問題的研究,將進(jìn)一步揭示趨磁細(xì)菌生物礦化之謎,為人類合理利用和開發(fā)新型仿生材料提供重要的理論基礎(chǔ)。