趋磁细菌蛋白参与磁铁矿生物矿化机制的研究进展

崔琪琪,陶童祥,马 坤

(1．中国科学院强磁场科学中心,中国安徽合肥230031;2．中国科学技术大学,中国安徽合肥 230026)

生物矿化是生物控制或生物诱导的矿物质沉积过程。在生物矿化形成无机纳米材料过程中,蛋白质和其他生物大分子被认为在调控材料的尺寸和形状方面起着重要作用[1～2]。同时,生物有机体可以以一种不利于晶体学对称性的方式调整其矿物的形态。以趋磁细菌形成的细长磁铁矿晶体为例,磁铁矿是一种尖晶石矿物,是在立方型晶体基础上生长形成的[3]。生物矿化产物还包括具有短程有序的颗粒物质,例如由硅藻形成的二氧化硅。生物矿化可以将生物体的有机组织与无机材料联系起来[4～5]。通过对生物矿化开展研究可以了解生物体如何利用有限的化学元素和环境在生理条件下形成功能材料[6～9]。这篇综述主要介绍趋磁细菌中形成磁性纳米颗粒(磁铁矿)的生物矿化过程和趋磁细菌铁蛋白在生物矿化过程中所发挥的作用。

1 磁小体膜蛋白参与的生物矿化过程

“磁感应”细菌最初是在20世纪60年代发现的,根据Bellini的报告从意大利语中翻译为趋磁细菌[10～12]。1975 年 Blakemore[13]报道发现了趋磁细菌,研究者在美国马萨诸塞州(Massachusetts-USA)Woods Hole的附近放置一个磁铁来观察趋磁细菌的运动方向,发现趋磁细菌改变了运动的方向,Blakemore把这个现象叫做趋磁性。这篇文章可以被认为是微生物通过生物矿化产生铁的第一份论文。后来人们经过研究发现出现这种行为的原因是在细胞体内形成了磁性纳米颗粒,而且这些纳米颗粒排列成一条链嵌入膜中。这种由膜包裹着的纳米颗粒组成的“细胞器”被称为磁小体。

随着几种趋磁细菌菌株(如AMB-1、MSR-1和MS-1等)的基因研究的深入,趋磁细菌已经成为生物矿化研究的模型系统[14～17]。此外,由于生物技术和纳米技术的进步,趋磁细菌的磁小体已被证明具有潜在的生物学应用价值[17～20]。趋磁细菌磁小体的合成可以分为以下几个步骤:1)趋磁细菌生物膜内陷形成囊泡;2)从环境中吸收铁并将其运输到“细胞器”;3)形成具有可控尺寸和形态的磁性纳米颗粒;4)将磁小体排列成有序的纳米结构[3,21～22]。

趋磁细菌是革兰氏阴性菌,它在细胞形态、环境起源和系统发育方面具有多样性[23～25]。趋磁细菌可以对磁场产生感应作用的关键是含有磁小体。磁小体是膜包裹的磁铁矿(Fe3O4)或者硫铁矿(Fe3S4)纳米颗粒[17,21,26～29]。由于生物膜的包裹,晶体表现出完美的矿物结构,不会出现偏离氧化形式的磁赤铁矿,并且可以防止纳米颗粒被氧化[30]。磁小体中纳米颗粒晶体的尺寸和形貌是由菌株的特异性和基因控制的。磁小体的尺寸对于同一种菌株来讲是固定的,但对于不同的菌株而言是不同的,范围在 35～80 nm[31～34]。在目前已知的趋磁细菌菌株中,其菌体形态和磁铁矿晶体的形貌都是固定的[35～36]。尺寸和形貌的稳定使得晶体具有单磁筹的特性,因此每个磁小体颗粒都可以充当永磁体。

趋磁细菌中的磁小体以链的形式存在[33],磁小体链由数十个单独的磁性纳米粒子组成[3],这些磁性纳米颗粒链沿着趋磁细菌鞭毛方向呈长轴排列[21]。链中的纳米粒子具有不同的晶体形状,包括八面体、立方体、六角棱柱形、子弹、泪珠和箭头的形状[34,37～39]。根据趋磁细菌生物矿化的产物类型,趋磁细菌可以分成两个种类:一种是产生铁氧化物的趋磁细菌,另一种是产生铁硫化物的趋磁细菌[40]。

在趋磁细菌形成磁铁矿过程中,趋磁细菌主要通过磁小体膜上的蛋白质控制磁铁矿的生物矿化[33]。现有研究报道,这些蛋白质均由磁小体基因编码,并且这些基因在趋磁细菌的基因组中成簇存在[23,33,41～44]。趋磁细菌的磁小体膜蛋白主要有两种功能类别,即磁性纳米颗粒的生物矿化过程必不可少的蛋白质(包括 MamB、MamM、MamA、MamE、MamO、MamN等)和不确定对生物矿化是否有作用的蛋白质(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控制磁小体链的形成[34,46],MamF、MamD、MamT、MamP、MamR、MamS、Mms6、MamB 和 MamM 控制 Fe3O4的合成[14,47～50]。这些蛋白质可以对磁小体纳米颗粒的尺寸分布和晶型进行严格的遗传控制[26,51～53]。研究显示,当趋磁细菌缺乏表达 MamA、MamE、MamO、MamB、MamM、MamN蛋白的基因时,其只能形成没有磁性纳米颗粒的空磁小体囊泡,而且相关的基因敲除实验已经确认了这些磁小体膜蛋白的功能[14～15,47～49,50～52,54]。

图1展示了磁小体膜蛋白参与趋磁细菌生物矿化产生磁小体的过程。磁小体囊泡代表生物矿化的位点,为磁性纳米颗粒的生长提供有利的化学环境。黑色六边形符号呈现了磁小体囊泡内磁性纳米颗粒的生长过程。磁小体的膜上含有与生物矿化相关的蛋白质,这些蛋白质是与磁小体相关的Mam/Mms蛋白。

2 趋磁细菌铁蛋白参与的生物矿化过程

除了磁小体膜蛋白对磁铁矿的形成有调控作用以外,铁蛋白在生物矿化形成磁铁矿过程中也发挥着重要的作用。铁蛋白是生物体中主要的铁贮存蛋白质,对铁稳态至关重要,并参与多种生理过程[55～58]。铁蛋白中可含有多达4 000个的铁离子,并通过铁蛋白的外壳保护使其保持在溶液中[56]。趋磁细菌中的铁蛋白作为铁离子的存贮器能够为趋磁细菌合成磁小体提供所必需的铁元素[55,59～60],故铁蛋白被认为是磁性纳米颗粒的磁铁矿的前体。铁蛋白中的铁类似于在趋磁细菌早期生长阶段中观察到的非结晶的水铁矿,随后在磁小体囊泡里转化为磁铁矿。

铁蛋白是一种高度对称而且稳定的含铁蛋白质,于1937年发现并被结晶出来,具有可以积累大量铁的空腔[61]。铁蛋白矿化机制是通过其铁氧化酶活性以及特有的化学性质使铁元素矿化形成铁氧化物。铁蛋白主要存在于细胞质中,也存在于细胞核、动物线粒体中,许多细胞的生理功能都由铁蛋白主导。铁蛋白可以抑制fenton反应活性,因此铁蛋白具有抗氧化功能并可控制亚铁在细胞内的可用性[56,62～63]。通常,铁蛋白亚基单体不会在细胞中游离,而是以高度稳定的二十四聚体或者十二聚体自组装,并且游离的亚基容易在体外重新组装以形成天然铁蛋白,所以铁蛋白可被用作药物载体[64]。铁蛋白在低pH值的条件下会解旋,但是当pH值上升至中性时则会快速组装,动力学分析表明该过程涉及到作为中间体的四聚体、六聚体和十二聚体[65～66],另外亚基之间的静电排斥在一定程度上会减慢此反应进程。

为了避免铁过量导致的毒性,细菌通过调节传感蛋白基因的转录过程(例如铁吸收调节剂Fur)来调控铁的吸收、外排和代谢[58]。具有铁储存能力的铁蛋白主要分为以下几种:铁蛋白ferritin(Ftn)、含有血红素的细菌铁蛋白Bfr、来自饥饿细胞的铁蛋白Dps[56]。所有这些铁蛋白都有一个四螺旋束结构基序,并能够自组装成空心四聚体(Ftn,Bfr和Afr)或十二聚体(Dps或者Dps-like)纳米笼,这种纳米笼可以吞噬铁矿物[67]。

图1 磁小体膜蛋白参与生物矿化的示意图(参照文献[3]修改)Fig.1 The schematic diagram of magnetosome membrane proteins participating in biomineralization(modified from reference[3])

对于含有24个亚基的铁蛋白,其有两种单体类型,分别是重亚基(～21 kD)和轻亚基(～19 kD)。重亚基又称为H链,包含178个氨基酸;轻亚基又称为L链,包含171个氨基酸。H链带有铁氧化酶中心,这是铁结合所必需的,而L链有利于空腔内的铁矿化。脊椎动物的铁蛋白是杂聚物,以特定的H∶L比例组装并随生物体和组织的变化而变化[58]。目前,研究较多的是马脾铁蛋白(horse spleen ferritin,HSF),其由约10%的H链和约90%的L链组成。富含L链的铁蛋白在铁储存器官中占主导地位,例如脾脏和肝脏,而心脏细胞和大多数脑细胞的铁蛋白往往富含H链。显然,H链和L链的比例在控制细胞中铁浓度方面起着重要的作用[58,68]。铁蛋白的核心是反铁磁性的,具有240～460 K的奈尔温度[69]。铁蛋白磁芯的磁化强度比磁铁磁化强度低约两个数量级,并且铁蛋白的磁矩范围为100 μB至300 μB,而相似尺寸的磁铁矿的磁矩约为104 μB[70]。基于低场磁化率和磁化测量的结果表明铁蛋白中的纳米颗粒是超顺磁性,并且即使在高达55 T的磁场中铁蛋白纳米颗粒依然没有达到其饱和磁化强度[71～72]。

研究显示,在趋磁细菌的生物矿化过程中,趋磁细菌铁蛋白发挥了非常重要的作用[21]。在趋磁螺菌属(Magnetospirillum)细胞的封闭膜体系中,铁蛋白在形成亚铁磁性的磁铁矿(Fe3O4)晶体途径中起着主要作用,这有益于趋磁细菌在其水栖息地找到缺氧或者厌氧的生长环境。早期的穆斯堡尔光谱和电子显微镜分析表明,Magnetospirillum中磁铁矿的结晶是通过前体进行的[73]。那么铁蛋白在趋磁细菌磁铁矿的生物矿化过程中到底发挥什么作用呢？

趋磁细菌中磁铁矿的生物矿化过程必须从其周围吸收形成矿物质所必需的元素。在矿化形成磁铁矿的情况下,氧元素来自于水[74],铁元素来自于铁蛋白从外部吸收的铁离子形成的水合氧化铁[73～74]。铁蛋白参与磁铁矿的形成过程如图2所示:1)铁(Fe2+或Fe3+)从环境中被吸收;2)被吸收的铁元素在铁蛋白内部被转化为微晶磁铁矿;3)微晶磁铁矿经磁小体膜蛋白的相关作用后被生物膜包覆形成磁小体。

Baumgartner等[75]报道,铁蛋白样前体(包埋在铁蛋白中的水铁矿)位于磁小体囊泡外,而磁小体内部发现了磁铁矿。这说明在趋磁细菌合成磁小体的过程中铁蛋白中的水铁矿可能是其前驱体。Luisa Fdez-Gubieda等[76]通过使用X射线吸收近边结构(X-ray absorption near edge structure,XANES)技术和高分辨透射电子显微镜(high resolution transmission electron microscope,HRTEM),发现磁铁矿也是从铁蛋白中的水铁矿前体快速生物矿化而来,而不是仅仅利用单独铁源从头合成。

3 结语与展望

本文综述了趋磁细菌的磁小体膜蛋白与铁蛋白调控磁铁矿合成的生理功能的最新研究进展。那么在趋磁细菌磁铁矿的生物矿化过程中铁蛋白和C末端含有大量酸性氨基酸的蛋白质之间存在什么样的联系？二者又是经历了怎样的过程来共同支持了磁铁矿的形成？我们课题组利用核磁共振波谱研究了Mms6蛋白在磁铁矿形成过程中发挥的作用,发现趋磁细菌AMB-1中的Mms6蛋白在体外能控制磁性纳米颗粒的形成,Mms6和Mms6C25均能与磁小体纳米晶体结合,证明Mms6蛋白在磁铁矿的合成过程中对铁离子具有调控作用[77]。遗憾的是,铁蛋白和C末端富含酸性氨基酸的这一系列蛋白质在趋磁细菌生物矿化中是否有联系至今并未证明。

图2 趋磁细菌铁蛋白参与生物矿化的机制示意图(参照文献[73]修改)Fig.2 The schematic diagram of the mechanism of ferritin participating in biomineralization of magnetotactic bacteria(modified from reference[73])

随着趋磁细菌生物矿化过程的深入研究,许多科学家都在尝试着将生物矿化技术应用于技术材料的生产中,其中最为典型的就是模仿磁铁矿生物矿化的过程来合成超顺磁性磁性纳米氧化铁。目前,高度单分散磁铁矿纳米颗粒的合成路线需要水热条件[78～79]或者高沸点溶剂[80～81],通常需要使用昂贵的有机金属前体。先前的仿生研究通过控制反应物供应来影响磁铁矿晶体的平均尺寸和磁性而取得了一些成功[38,77]。然而,迄今为止,仿生合成的磁性纳米材料仍然与天然磁小体在性能上有着巨大的差距。

总的来讲,尽管近年来人们对趋磁细菌生物矿化的研究不断深入,但其分子机制仍然不明,例如:铁蛋白如何吸收体外的铁离子？吸收铁离子后铁蛋白内形成的前驱体产物以及转运位置具体是什么？磁小体膜蛋白究竟如何调控磁小体晶体成核与晶体生长？在矿化过程中铁蛋白与磁小体膜蛋白的功能是否具有偶联关系？对于这些科学问题的研究,将进一步揭示趋磁细菌生物矿化之谜,为人类合理利用和开发新型仿生材料提供重要的理论基础。