来自海贝的“万能胶”

贝类,特别是生活在海洋中的各种贝类,是人们非常熟悉的一类生物。不过,当你在海边邂逅这些小生命,或者在饭店里享受它们带来的海鲜大餐,或者欣赏由形态各异的贝壳做成的工艺品的时候,你可曾想过,人们正在受一些海洋贝类的启发,开发新的“万能胶”呢?

人们早就注意到,某些海洋贝类具有很强的吸附能力。比如,blue mussel (学名Mytilus edulis,中文名紫壳菜蛤或者蓝贝)这种贝类常常生活在潮汐带。它们会分泌出几十条细丝一样的结构,称为“足丝”(byssus),这些足丝的末端横截面会变大,像吸盘一样牢牢地抓住岩石或是其他表面(图1、图2)[注1-3]。那么,这种贝类的吸附究竟有什么特别之处呢?首先,这些贝类能经受海浪的不断侵袭而牢牢地在礁石上定居,可见这种吸附作用非常之强。其次,许多人工合成的胶粘剂,在水下环境中性能都会减弱,而这些贝类一天之中有相当长的时间浸泡在海水中却能安然无恙,表面这种吸附作用十分独特。另外,blue mussel等贝类不仅能吸附在礁石上,还可以牢牢地粘住许多金属,甚至像聚四氟乙烯(也就是不粘锅的涂层)这种很难被其他物质沾污的材料,这些贝类也可以吸附上去[注4]。由此可见,说这些贝类的吸附能力是一种“万能胶”一点都不夸张。

图1 一只blue mussel正在通过足丝吸附在岩石表面。引自参考文献[2]

图2 吸附在某种表面上的blue mussel的解剖图。引自参考文献[1]

那么,这种超强的吸附作用是怎么来的呢,这还要从这些贝类的吸附器官――足丝说起。与蚕丝、蜘蛛丝类似,贝类的足丝并不是活的组织器官,而是主要由蛋白质组成。研究表明,组成这些贝类足丝中的多种蛋白质中,含有一种特殊的氨基酸——L-3,4-二羟基苯丙氨酸(也叫L-多巴)。[注1]这种氨基酸并不在构成蛋白质的20种氨基酸之列,不过在人和其他一些动物体内也能见到它的身影。L-3,4-二羟基苯丙氨酸是酪氨酸在一种叫酪氨酸羟化酶的酶的作用下形成的。酪氨酸的苯环上本来带有一个羟基,在酪氨酸羟化酶的作用下,羟基的相邻位置又引入了一个羟基,形成了邻苯二酚结构,酪氨酸也就变成了L-3,4-二羟基苯丙氨酸。这种氨基酸还会被其他种类的酶继续作用,变成多巴胺、肾上腺素等在生理活动中非常重要的物质(图3)。[注5]

图3 酪氨酸(左)、L-3,4-二羟基苯丙氨酸(中)和多巴胺(右)的化学结构

在组成贝类足丝的某些蛋白质中,L-3,4-二羟基苯丙氨酸的摩尔含量可以达到27%。那么,L-3,4-二羟基苯丙氨酸是不是这些贝类超强吸附能力的主要来源呢?确实如此。许多研究表明,这种氨基酸中的邻苯二酚结构可以通过不同类型的机制与各种材料表面发生作用,从而带来极强的吸附作用(图4)。例如,当贝类遇到金属表面时,邻苯二酚可以与这些金属形成一种叫配位键的相互作用,这种作用很强,足以让贝类牢牢地抓住这些金属;要是遇到的是岩石等非金属表面怎么办呢?没有关系,邻苯二酚还有其他的高招。比如,当材料表面存在氧原子的时候,邻苯二酚会与材料表面发生另外一种相互作用——氢键。这种作用的强度同样不弱,使得贝类轻松吸附到这些表面上去。另外,在一定的条件下,邻苯二酚会被氧化成邻苯醌。与邻苯二酚相比,邻苯醌形成配位键或者氢键的能力虽然要弱很多,但它可以和许多化学基团发生反应形成稳固的共价键,这种作用就更强了。在自然环境下,构成贝类足丝的蛋白质中,邻苯二酚和邻苯醌结构往往共存,保证了贝类面对不同类型的表面都可以展现出很强的吸附能力。另外,看上去纤细的足丝机械强度其实相当高,在风浪中不会轻易被打断。这样,这些贝类就能够在恶劣的环境中安稳地生活在礁石上。[注6-8]

图4 邻苯二酚结构与不同材料表面的作用机制。左:通过配位键与二氧化钛表面作用。右:通过氢键与云母表面作用。注意图中同时标出了邻苯醌结构。引自参考文献[7]

弄清楚了海贝超强吸附能力的主要来源,研究者们自然想到如何利用这种神奇的化学物质为我们的日常生活服务。考虑到成本和产量,直接从这些贝类里面提取这些特殊的蛋白质恐怕并不是一个好主意。不过没有关系,既然起决定作用的是邻苯二酚结构,那么我们合成一些具有类似结构的分子就可以了。研究者们合成了许多带有邻苯二酚结构的小分子或是聚合物,它们的表现也很让人满意,可以吸附到许多不同类型的材料表面上去。随着研究的深入,人们也在进一步开发这些含有邻苯二酚的“万能胶”的应用。这些材料用在生物医学当中的应用尤为引人瞩目,这是因为在体内存在大量的体液,许多合成的胶粘剂或者缝合剂往往不能很好地发挥作用,而含邻苯二酚结构的胶粘剂在水下也可以表现出优异的性能,因此有可能克服目前这些粘合剂的缺点,更好地为人类的健康服务。也许在不久的将来,我们就可以看到这些新型的“万能胶”在我们的生活中大放异彩呢。

参考文献

  1. Heather G. Silverman and Francisco F. Roberto, Marine Biotechnology, 2007, 9, 661
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Mussel
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Blue_mussel
  4. Haeshin Lee et al., Science, 2007, 318, 426
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/L-dopa
  6. Haeshin Lee et al, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103, 12999
  7. Travers H. Anderson et al. Advanced Functional Materials, 2010, 20, 4196
  8. Hongbo Zeng et al. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107, 12850

您还未添加分享代码,请到主题选项中,添加百度分享代码!

您可以选择一种方式赞助本站

目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. avatar 18983839805 5

    18983839805189-838334371898383657518983836234189838363391898383563218983838963

评论加载中...

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情