基于中间丝蛋白MSP-1的动态生物界面：贻贝足丝根部的机械响应机制与生物医学启示

《Nature Communications》：A dynamic biointerface in mussels mediated by a mechanoresponsive intermediate filament-based biopolymer

本刊推荐：为解决生物植入体与软组织界面易剥离、难以安全移除的临床难题，研究人员针对贻贝足丝根部生物界面开展多学科研究，发现一种新型中间丝蛋白MSP-1可形成机械响应型界面——其α-螺旋结构在力学刺激下不可逆转化为β-折叠构象，不仅增强界面韧性，更可能通过纤毛接触实现力传感。该成果为可逆生物界面设计提供了新范式。

　　

在波涛汹涌的潮间带，贻贝通过一种名为足丝（byssus）的蛋白质锚定系统牢牢附着在岩石上。这种非生命的生物聚合物与软体组织之间的连接界面——足丝根（stem root）——不仅需要承受海浪的持续冲击，还能在贻贝神经调控下实现按需快速释放。这种兼具高强度与可逆性的生物界面，正是当前生物医学植入体（如脑机接口、关节假体）追求的理想特性：既要实现硬质器件与软组织的稳定整合，又能在需要时安全剥离。然而，现有植入体界面常因机械失配导致应力集中、界面剥离，且移除手术易引发组织损伤。尽管自然界中存在的功能梯度结构（如鱿鱼喙、肌腱-骨连接）可缓解应力集中，但仍无法实现按需释放。贻贝足丝根部界面的独特机制，为这一难题提供了革命性解决方案。

为揭示这一机制，研究团队采用跨学科方法整合细胞生物学、生物化学和材料科学技术。关键技术包括：从贻贝（Mytilus edulis）足丝根部提取蛋白质并通过SDS-PAGE和质谱鉴定新型蛋白；利用免疫荧光染色与结构光照明显微镜（SIM）进行蛋白定位；通过扫描透射电镜（STEM）和聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）解析界面超微结构；采用广角X射线衍射（WAXD）、拉曼光谱和ATR-FTIR分析蛋白质构象；结合转录组测序和AlphaFold3结构预测分析蛋白特性。所有实验均使用市售成年贻贝，每组分析至少包含3个生物学重复。

蛋白质提取与分析

通过足丝根部蛋白质提取，研究人员发现一个约70 kDa的主要条带，经质谱鉴定为含有584个氨基酸的新型蛋白MSP-1。序列分析显示其具有中间丝蛋白（IF）典型特征：三个α-螺旋 coiled-coil（CC）区域由非螺旋连接区分隔，末端为无序结构域。AlphaFold3预测其形成同源二聚体CC结构，与纤毛微管结合蛋白CCDC39/40具有结构相似性。值得注意的是，MSP-1缺乏信号肽，提示其通过非常规分泌途径（UPS）释放。

免疫化学定位

SIM成像显示MSP-1特异性分布于足丝根部片层的外片层（OLL），与纤毛直接接触，而片层核心的胶原内层（ILL）无信号。分泌囊泡沿纤毛-片层边界富集，证实MSP-1为OLL的主要组分。

外相及相关分泌囊泡的EM表征

STEM揭示OLL由直径约10 nm的纤维网状结构组成，与纤毛表面紧密贴合。FIB-SEM三维重建显示囊泡通过膜融合方式将MSP-1分泌至纤毛间隙，甚至包裹部分纤毛，证实其为分泌型蛋白。

外片层蛋白质构象

WAXD检测到α-螺旋特征峰（q=11.7 nm^-1），沿片层长轴取向；拉曼光谱显示未拉伸样本中酰胺I带位于1655 cm^-1，符合α-螺旋构象。而ATR-FTIR在加压后出现1626 cm^-1特征峰（β-折叠），且β/α峰强度比随压力增加1.5倍，提示机械力诱导构象转换。

机械诱导的α-β构象转换

拉伸处理后样本的拉曼光谱显示酰胺I带移至1665 cm^-1，酰胺III带1230 cm^-1峰增强，并出现1400 cm^-1特征峰（C-α键拉伸），证实β-折叠构象形成。同时免疫染色显示机械转化后MSP-1抗体无法识别OLL（而囊泡内蛋白仍可染色），表明构象转换导致表位屏蔽。

本研究首次揭示了贻贝通过一种新型中间丝蛋白MSP-1构建动态生物界面的双重机制：一方面，其机械响应的α-螺旋向β-折叠转换可耗散能量，增强界面韧性；另一方面，该不可逆转换可能作为机械传感机制，通过纤毛传递力学信号，调控足丝的释放或再生。这种仿生设计思路为开发可逆型生物植入体提供了新范式——不仅解决界面稳定性难题，更引入环境响应性释放功能。该成果发表于《Nature Communications》，为生物材料界面工程开辟了跨学科研究新方向。