Nat Commun：硅藻胞外形成二氧化硅的结构证据

2021年8月12日讯/硅藻是一种分布广泛的单细胞微藻。它的特点是能够合成由二氧化硅（SiO2*H2O）组成的精致的细胞壁。细胞壁由几个不同的元素组成，胶合在一起形成一个连续的覆盖层。细胞壁的形成过程受到严格的生物控制，产生了物种特异性的纳米尺度建筑图案。硅藻如何控制硅元素的沉淀过程的？这是一个已经困扰科学家一个世纪的问题。虽然我们知道其他生物可以在细胞外形成二氧化硅，但目前对硅藻硅化的看法是，它始终是一个细胞内发生的过程。根据这一范式，硅藻细胞中微米大小的专门隔间，被称为硅沉积囊泡（SDVs），负责硅元素的整个矿化和形态发生过程。只有在完成后，二氧化硅元素才被胞外排出并附着到现有的细胞壁上。有趣的是，一些硅藻物种有复杂的二氧化硅附属物，可以比细胞体长得多，这种长元素的一个突出例子是胡须状的延伸，称其为setae。在本研究，研究人员研究了长硅化延伸的形成。

研究人员使用低温电子层析成像技术，以纳米级的分辨率，在三维空间对二氧化硅的形成进行成像。

为了研究硬尾藻硅化生物过程的结构变化，研究人员将呈指数增长的培养物置于短期的硅饥饿中，导致细胞周期阻滞。补充硅后，细胞以部分同步的方式恢复生长和硅化。用只与新形成的二氧化硅结合的荧光染料PDMPO对细胞进行染色证实了这一点。据估计，在硅添加6小时后，大约50%的细胞积极形成新的瓣膜和刚毛。刚毛的形成过程非常快速，持续了约20分钟。研究人员了通过为cryoET制备积极硅化细胞，在分子分辨率上研究seta形成过程。在二氧化硅结构的外部，观察到另一层连续的薄层，覆盖了整个刚毛。数据表明，与主流范式相反，这些复杂的结构形成于细胞质之外。此外，这些硅延伸的形成在低硅浓度时停止，但仍支持其他细胞壁元素的形成，进一步暗示了不同的硅化机制。

图 生长介质中Si浓度和Si抑制剂对结块形成的影响

综上所述，尽管SDV和细胞内过程对硅藻硅化至关重要，但该研究提出了另一种机制，即细胞外硅化。纤毛虫生长顶端的简单细胞组织，以及cryoET获得的天然状态结构信息，有助于阐明由细胞机制调控的、但发生在细胞膜外的硅化过程。类似的过程可能是硅藻物种特有的许多细长而复杂的硅化装饰的基础，这些装饰很难与细胞内形成相协调。（生物谷Bioon.com）

参考文献：Mayzel， B.， Aram， L.， Varsano， N. et al. Structural evidence for extracellular silica formation by diatoms. Nat Commun 12， 4639 (2021). https：//doi.org/10.1038/s41467-021-24944-6