Unravelling the Toolbox of Mussel Underwater Adhesion

Titelangaben

Wang, Jia:
Unravelling the Toolbox of Mussel Underwater Adhesion.
Bayreuth , 2020 . - vi, 82 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004632

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Abstract

Over the past decades, biomimetics of novel advanced materials have been developed by replication of natural systems. With respect to tissue adhesives, marine mussel is an ideal model due to its exceptional attachment to substrates in seawater. Mussel-inspired materials are expected to bring about improvements in adhesive technology. A prerequisite for successful biomimetics is to scrutinize the natural system and get fundamental understandings of the adhesion.

The attachment of several marine mussels is mediated by a particular holdfast system, the mussel byssus, which is composed of ∼96 % (w/w) of proteins by dry weight. The byssus consists of dozens of byssal threads, which are anchored to the substratum by an adhesive plaque. Mussel foot proteins in plaques are directly contacting the substrates and are, therefore, vital for achieving strong byssus attachment. In this work, mussel foot protein 3b (mfp-3b), one of the predominant proteins in plaques from Mytilus galloprovincialis (M. galloprovincialis) has been recombinantly produced and characterized.

rmfp-3b possesses 18 positively and 2 negatively charged residues, which give rise to a soluble state at low pH (pH 3.0-4.0). In the presence of citrate, rmfp-3b showed upper critical solution temperature (UCST) mediated complex coacervation at pH 3.0. Upon decreased temperature, the rmfp-3b solution changed from transparent (T > Tcp, cloud point temperature) to turbid (T < Tcp), and this behavior was reversible. Low temperatures probably can reduce the surrounding water shell of rmfp-3b but increase the hydrogen bonding as well as the amount of deprotonated citrate, which results in increased molecular interactions. Small amounts of multivalent anions gave rise to prominent coacervation, reminiscing that mfp-3b is probably secreted in the form of a condensed coacervate with multivalent anions, e.g. sulfate, in secretory granules. Upon elevation of pH from secretion level (pH 3.0) to seawater level (pH 8.0), mfp-3b coacervate was formed likely due to the deprotonation of acidic residues yielding increased intermolecular interactions, suggesting seawater could be a natural regulator of this process. By means of coacervation, secretion and spreading on wet substrates are beneficial due to the specific properties, such as shear-thinning behavior and low interfacial energy. Thereby, mfp-3b can adhere to wet substrates without dispersion in the surrounding seawater.

The high content of 3,4-dihydroxyphenylalanine (Dopa) in byssus indicates the existence of polyphenol oxidases for post-translational modification of Tyr residues, which is pivotal for underwater adhesion. The gene sequence of a polyphenol oxidase like protein (PPOL) was identified after screening of a foot cDNA library of M. galloprovincialis. Recombinant production of PPOL (rPPOL) and the short variant rP319 have been established. The catalytic activity of rPPOL and rP319 have not been identified, which might be due to the poor copper coordination of His residues at acidic pH. rPPOL (rP319) is composed of 15 (5) Cys residues, and ∼13 (∼3) thereof show free thiols and ∼2 (∼2) are disulfide bonded. rPPOL and rP319 were capable of inhibiting Dopa oxidation, whereas alkylated variants showed weaker inhibition, suggesting that PPOL is probably a free thiol-based antioxidant. rPPOL (rP319-NEM) with the most (least) thiols showed maximum (minimum) antiradical power. One molecule rPPOL can reduce ∼38 DPPH radicals, indicating that other reactive groups might exist besides the ∼13 free thiols devoting to the antioxidant activity. Considering the antioxidant property, PPOL probably locates at the plaque-substrate interface to protect Dopa from oxidation, like mfp-6; however, verification of the location of PPOL will need further investigations.
This work provides novel insights into the molecular behavior of mfp-3b and PPOL involved in underwater adhesion of marine mussels, which enrich the mechanisms of mussel underwater adhesion and advances future development of tissue adhesives.

Abstract in weiterer Sprache

In den letzten Jahrzehnten wurden in der Biomimetik neuartige Materialien durch Identifizierung und Replikation biologischer Systeme entwickelt. Ein ideales Vorbild für Untersuchung von Gewebeklebstoffen ist die Miesmuschel. Da sie sich hervorragend auf dem Meeresgrund anhaftet, stellt sie ein interessantes Modellsystem in der Klebstofftechnologie dar. Die Voraussetzung für ein erfolgreiches biomimetisches System ist, das natürliche Adhäsionssystem zu verstehen und grundlegende Erkenntnisse darüber zu gewinnen.

Die Anhaftung von Miesmuscheln wird durch ein Haftsystem, den sogenannten Muschelbyssus, vermittelt, der bezogen auf sein Trockengewicht zu ~ 96% (w / w) aus Proteinen besteht. Der Byssus setzt sich aus Dutzenden von Byssusfäden zusammen, welche über adhäsive Plaques auf dem Meeresgrund verankert sind. Die in den adhäsiven Plaques enthaltenen Muschelfußproteine können mit vielen Substraten in direkten Kontakt treten und sind daher für eine starke Byssushaftung von entscheidender Bedeutung. In dieser Arbeit wurde das Muschelfußprotein 3b (mfp-3b), eines der vorherrschenden Proteine in adhäsiven Plaques von Mytilus galloprovincialis (M. galloprovincialis), rekombinant hergestellt und charakterisiert.

mfp-3b besitzt 18 positiv und 2 negativ geladene Reste, die bei niedrigem pH-Wert (pH 3,0-4,0) die Löslichkeit erhöhen. In Gegenwart von Citrat (pH 3,0) zeigt mfp-3b eine durch die obere kritische Lösungstemperatur (UCST) vermittelte Komplexkoazervation. Bei Senken der Temperatur ändert sich die Transmission der rmfp-3b-Lösung reversibel von transparent (T > Tcp, Trübungspunkttemperatur) zu trüb (T < Tcp). Niedrige Temperaturen können höchstwahrscheinlich die umgebende Hydrathülle von mfp-3b verkleinern, jedoch die Zahl der Wasserstoffbindungen, sowie die Menge an deprotoniertem Citrat erhöhen. Dies führt zu erhöhten molekularen Wechselwirkungen. Geringe Mengen mehrwertiger Anionen führen zu einer deutlichen Koazervation, was darauf hinweist, dass mfp-3b wahrscheinlich in Form eines kondensierten Koazervats mit mehrwertigen Anionen, z.B. Sulfat, im Sekretgranulat abgesondert wird. Bei Erhöhung des pH-Werts vom Sekretionsniveau (pH 3,0) auf das Meerwasserniveau (pH 8,0) bildet sich aufgrund der Deprotonierung von sauren Resten ein Koazervat, was auf erhöhten intermolekularen Wechselwirkungen basiert und darauf schließen lässt, dass Meerwasser ein natürlicher Regulator dieses Prozesses sein könnte. Die Koazervation, Sekretion und Ausbreitung auf feuchten Substraten ist durch die spezifischen Eigenschaften, wie z.B. Scherverdünnungsverhalten und geringe Grenzflächenenergie, vorteilhaft. Dadurch kann mfp-3b an feuchten Oberflächen haften, ohne sich im umgebenden Meerwasser zu verteilen.

Der hohe Gehalt an 3,4-Dihydroxyphenylalanin (Dopa) im Byssus weist auf die Existenz von Polyphenoloxidasen zur posttranslationalen Modifikation von Tyr-Resten hin, die entscheidend für die Unterwasseradhäsion sind. Nach Überprüfung einer cDNA-Datenbank aus Muschelfüßen der Muschel M. galloprovincialis, wurde die Gensequenz eines Polyphenoloxidase-ähnlichen Proteins (PPOL) identifiziert. Die rekombinante Produktion von PPOL (rPPOL) und einer verkürzten Variante rP319 wurde etabliert. Eine katalytische Aktivität von rPPOL und rP319 wurde nicht gefunden, was möglicherweise auf die schlechte Kupferkoordination von His-Resten bei saurem pH zurückzuführen ist. rPPOL (rP319) enthält 15 (5) Cys-Reste, wovon ~13 (~3) als freie Thiole und ~2 (~2) disulfidgebunden vorliegen. rPPOL und rP319 konnten die Oxidation von Dopa hemmen, während die alkylierten Varianten eine schwächere Hemmung zeigten, was darauf hindeutet, dass PPOL wahrscheinlich ein freies Antioxidans auf Thiolbasis ist. rPPOL (rP319-NEM) mit den meisten (wenigsten) Thiolen zeigte maximale (minimale) antiradikale Wirkung. Ein rPPOL-Molekül kann ∼38 DPPH-Radikale reduzieren, was darauf hindeutet, dass neben den ∼13 freien Thiolen möglicherweise andere reaktive Gruppen existieren, die für die antioxidative Aktivität verantwortlich sind. In Anbetracht der antioxidativen Eigenschaften befindet sich PPOL, wie mfp-6, wahrscheinlich an der Grenzfläche zwischen adhäsive Plaque und Substrat, um Dopa vor Oxidation zu schützen. Die Überprüfung der Lokalisierung von PPOL im Muschelfuß erfordert jedoch weitere Untersuchungen.

Diese Arbeit lieferte neue Einblicke in das molekulare Verhalten von mfp-3b und PPOL bei der Unterwasseradhäsion von Miesmuscheln. Die Erkenntnis über Mechanismen der Adhäsion, von Muscheln im Wasser ist wichtig für die zukünftige Entwicklung von Gewebeklebstoffen.