生物通报道：来自浙江大学的研究人员发现了生物换壳过程中的一个重要分子开关，这一发现为科学家进一步研究仿生控制功能提供了一个样本，让生物材料的制备变得更加可控。这一研究成果公布在12月7日《美国科学院院报》上，题目为“Magnesium-aspartate-based Crystallization Switch Inspired from Shell Molt of Crustacean”。

领导这一研究的是教育部“****奖励计划”特聘教授、浙江大学化学系教授唐睿康博士，其早年毕业于南京大学，主要研究领域是生物矿化、化学生物学和计算模拟。

“金蝉脱壳”是人们熟知的一种生命现象，自然界中许多动物都有这种换壳的本领。唐睿康教授带领团队发现，这种“换壳”过程是受一个“开关”控制的：在“关”的信号下，矿物在体内储存并为新壳准备，而当“开”的信号一出现，新壳就快速生成。这一发现为科学家进一步研究仿生控制功能提供了一个样本，让生物材料的制备变得更加可控。

课题组选取了日常环境中常见的甲壳动物——卷甲虫（俗称“西瓜虫”）作为生物模型。卷甲虫一生要经历数次换壳。此前的研究发现，在换壳前体内的参与成壳的碳酸钙处于一种非晶态，而在镁离子的作用下，这些不稳定的非晶态的碳酸钙保持在一种“亚稳定状态”，从而可以作为矿化前体在生物体内富集并存贮，为新壳的快速生成作好物质准备，这个生物准备期要持续2周左右。但是，生物怎么能够精确地启动换壳程序，使矿物从“亚稳定状态”在短时间内完成结晶，对科学家来说是一个谜。

唐睿康的课题组找到了这个“开关”。他们对处于换壳时期的卷甲虫进行了研究，发现富含酸性氨基酸如天冬氨酸的蛋白质是另一个关键的信号。在它的作用下，卷甲虫立即启动换壳过程，促使处于准备状态的矿物质前体迅速走向“稳定状态”从而形成新壳，在自然状态下，这个过程在短短的数小时之内完成。

“事实上，镁离子和酸性蛋白质共同构成了一个生物界中‘开关’。”唐睿康解释说，动物的换壳过程可以理解为一个“结晶”的过程，矿物质在这个过程中经历了非稳定态、亚稳定态和稳定态。镁离子是一个“关”的信号，暂时关闭了结晶过程，延长了碳酸钙非结晶状态；而酸性蛋白是一个“开”的信号，它的出现结束了矿物的非结晶状态，促发了矿物质的迅速结晶。课题组通过镁和酸性氨基酸在实验室里成功地演示了这个结晶开关，还证明了这一原理还存在于和磷酸钙体系，具有普适性。

唐睿康说，人类在制备生物材料时可以从中获得灵感，制造出一种“仿生开关”，这样，生物材料的合成就可以变得更加可控，制造出各种结构、形态和功能的生物材料。这样的“开关”原理也可以进一步发展用于控制人体内的生理性矿化过程，如骨、牙的形成及病理性矿化如结石、血管钙化等。

唐睿康教授长期以来从事生物矿化方面的研究，曾在2008年发明了一种给细胞“穿衣服”的方法，给一个酵母菌“穿”上了一个“壳”。“那个壳是从无到有的过程，而现在的研究发现，则为选择穿什么衣服，怎么穿得更漂亮找到了方法。”生物矿化是指在生物体内形成矿物质也就是生物矿物的过程，人体中典型的生物矿化过程包括了骨骼、牙齿等生物硬组织的形成。自然界中常见的生物矿物有珊瑚、贝壳、珍珠、鸡蛋壳等。

作者简介：

唐睿康，浙江大学****特聘教授。

　　个人简介

　　1995年毕业于南京大学，1998年在南京大学获理学博士学位，后在纽约州立大学（布法罗分校）任博士后研究员及助教授。 2005年2月起任浙江大学化学系教授、博导，并开始组建浙江大学生物物质与信息调控研究中心。

　　研究领域（方向）：生物矿化、化学生物学和计算模拟

　　以高度跨学科的“浙江大学生物物质与信息调控研究中心”为研究平台，围绕生物矿化展开多学科交叉研究，探索小分子、蛋白质等生物分子以及细胞在生物硬组织形成过程中的化学识别、定向组装、尺寸和形貌控制以及速率调控等基本过程，理解生物无机材料的构筑和解构，为医学领域中骨、牙的生长以及相关疾病过程（如结石等）提供物理化学机制，并指导材料的仿生合成。主要研究内容包括生物无机单元的合成和组装；生物矿化的动力学；生物－无机界面模型；矿化的细胞效应；以及生物医学材料等。
 

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