一项由加州大学尔湾分校（UC Irvine）材料科学家参与的国际研究揭示了海洋软体动物“石鳖”（chiton）如何生长出坚不可摧的牙齿的生物过程。该研究成果为未来更可持续地制造用于电池、燃料电池催化剂和半导体的先进材料提供了蓝图。此项研究部分由美国空军科学研究办公室资助。
尔湾讯
来自加州大学尔湾分校、日本冈山大学与东邦大学的研究人员联合开展了首次系统研究，探索一种以岩石表面藻类为食的软体动物——石鳖，如何形成极其坚硬、耐磨且具磁性的牙齿。研究成果已于今日发表于《科学》（Science）期刊。
该研究团队揭示，石鳖特有的铁结合蛋白RTMP1通过被称为微绒毛（microvilli）的纳米尺度小管被输送至新生牙齿中。蛋白质的运输时机与位置受到精密控制，从而确保石鳖能构建出坚硬、强韧的牙齿结构，支撑它们赖以生存的反复摩擦进食动作。
“石鳖的牙齿由磁铁矿纳米棒与有机材料构成，不仅硬度与刚度超过人类牙釉质，甚至胜过高碳钢、不锈钢，以及氧化锆与氧化铝等高温制备的工程陶瓷，”论文合著者、尔湾加大材料科学与工程教授基赛鲁斯（David Kisailus）指出，“石鳖每隔几天就能长出新牙，其性能远超工业用切割工具、研磨介质、牙科与外科植入物以及防护涂层所用的材料，而且它们是在常温下、以纳米级精度制造而成。我们可以从这种生物构造与机制中学到很多。”
全球已知有超过900种石鳖，主要栖息于潮间带沿岸地区。在尔湾加大校园附近的水晶湾（Crystal Cove）与拉古纳滩（Laguna Beach）等地可见其身影，不过基赛鲁斯表示，此次研究的石鳖体型更大，主要分布在美国西北沿海及日本北海道附近海域。研究人员发现，RTMP1蛋白在世界不同地区的石鳖体内均有分布，这表明其在控制氧化铁沉积方面可能存在某种“趋同的生物设计”。
基赛鲁斯提到，在研究初期，团队并不清楚这些铁结合蛋白是何时、如何进入石鳖牙齿中的。通过结合先进材料分析与分子生物学技术，他们发现这些蛋白原本存在于未矿化幼牙周围组织中，随后被精确引导进入每颗牙齿的纳米结构小管中。
一旦进入牙齿内部，这些蛋白便与已预先组装好的几丁质纳米纤维骨架结合，这种结构性生物聚合物控制着牙齿中磁铁矿纳米棒的构造。与此同时，储存在铁蛋白（ferritin）中的铁也从牙齿外部组织释放，与RTMP1蛋白结合，促使纳米级氧化铁精确沉积。随着牙齿的成熟，这些沉积最终形成高度排列的磁铁矿纳米棒，使牙齿具备极高的硬度。
基赛鲁斯表示，这项研究不仅加深了人类对细胞铁代谢的理解，也为合成下一代先进材料提供了全新思路。
“石鳖每几天就能长出一套新牙，不仅让我们得以研究这种精密的纳米级矿物形成机制，也为开发广泛应用的新材料提供了契机，如用于电池、燃料电池催化剂和半导体的材料，”他说，“这包括在3D打印等增材制造技术中寻找更环保、更可持续的合成方式。”
基赛鲁斯指出，这项研究的独特之处在于，将尖端材料科学技术（如超高分辨率电子显微镜、X射线分析和光谱分析）与生物学方法（如免疫荧光、基因表达追踪和RNA干扰）相结合，从而完整揭示了石鳖牙齿形成的分子过程。
“通过生物学与材料科学的跨领域融合，以及全球研究团队的共同努力，我们揭示了地球上最坚硬、最强韧的生物材料之一是如何从无到有地构建起来的。”基赛鲁斯说。
该研究项目的合作者还包括来自冈山大学的根本美智子、冈田光希、赤峰晴香、小田垣由紀、奈良原由佳、大布施希織、森谷尚夫、佐藤章，以及来自东邦大学的大越健司。
本项目中基赛鲁斯的研究部分由美国空军科学研究办公室提供资金支持。
