小艺
【科学背景】
黏液在动物界广泛存在，通常充当呼吸道、消化道上皮细胞的润滑与保护屏障，其水性流体特性主要归因于粘蛋白（mucins）。然而，某些生物将大量黏液分泌至体外，形成具有远高于体液黏稠度的黏液基材料，执行捕食、防御或黏附等复杂功能。陆生蜗牛Cepaea nemoralis至少产生五种功能迥异的黏液材料——润滑、黏附、保护（封盖膜）及两种防御型黏液（黄色黏性黏液与泡沫状黏液），是探索黏液基材料性能调控机制的理想模型。已有研究表明，黏液黏度与二价离子含量密切相关，蜗牛表皮组织中亦观察到钙细胞的存在，但钙如何在不同黏液类型中以何种化学形式调控其结构与力学性能，尚不清楚。
【创新成果】
德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所Franziska Jehle团队运用蛋白质组学、X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）、扫描与透射电镜（SEM/TEM）、流变学等多学科手段，系统解析了C. nemoralis五种黏液基材料。研究发现，VI型胶原蛋白（collagen VI）是这些黏液的核心结构骨架，不同黏液类型共享主要结构蛋白，但蛋白丰度差异显著。关键发现是，蜗牛在黏液分泌过程中共分泌无定形碳酸钙（ACC）作为钙源：在湿润型黏液（润滑黏液、防御黏液）中，ACC主要以Ca2+离子形式通过交联稳定存在于网络中；在干燥或矿化型黏液（黏附膜、封盖膜epiphragm）中，ACC则作为方解石（calcite）的前驱体，经可控生物矿化形成矿物增强相。XRD证实湿润型黏液干燥后不析出碳酸钙晶体，表明Ca2+被有机网络牢固螯合；而封盖膜中高钙信号区与方解石衍射峰一一对应。力学测试显示，黄色防御黏液的弹性响应强度（~140 Pa）约为润滑黏液的10倍，与其近10倍高的蛋白浓度直接相关。该研究揭示了蜗牛通过钙的存在形式（离子态vs.矿物前驱体）、蛋白网络密度及多层次结构加工三者协同，实现了从柔软润滑到坚硬保护的多功能切换。
相关研究成果以“Calcium tunes snail mucus–based materials to multiple functions”为题，发表在Science上。
【数据概览】
图1 nemoralis分泌五种不同的黏液类型© 2026 AAAS
图2 黏液类型的蛋白质组成及VI型胶原蛋白的分布© 2026 AAAS
图3 黏液类型的结构与钙含量© 2026 AAAS
图4 湿型黏液LAOS测试所得的Lissajous曲线及黏液性质调控模型© 2026 AAAS
【科学启迪】
该研究提出蜗牛黏液性能可调的三要素模型：（1）蛋白网络密度调控，VI型胶原蛋白及富含VWA结构域的细胞外基质蛋白（如matrilin、tenascin）通过金属离子依赖黏附位点（MIDAS）介导蛋白间交联，蛋白总量与胶原VI丰度直接决定网络连通性与力学强度；（2）多层次结构构建，如黏附膜采用软/硬层交替堆叠，泡沫黏液通过气泡界面富集胶原纤维以稳定泡沫，不同黏液经特异性加工形成适应功能的复杂三维结构；（3）钙的双重角色，ACC以离子源形式参与交联（湿润型），或作为方解石前驱体进行可控矿化（干燥/黏附型），其中磷蛋白对ACC起稳定作用。该模型揭示了生物体系利用有限组分（胶原蛋白+ACC）通过“组分比例-化学形态-结构加工”的耦合调控实现材料性能极大化的策略，为仿生功能材料设计提供了新思路。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx7367
