Morphologischer und biochemischer Aufbau von Silikatnadeln der Hexactinelliden am Beispiel von Monorhaphis chuni

Schon 1904 beschrieb Schulze den Aufbau von Silikatnadeln des Schwammes Monorhaphis chuni, eines Mitglieds der zweiten Familie von biosilifizierenden Schwämmen, den Hexactinelliden (Glasschwämmen). Weitergehende morphologische Untersuchungen und biochemische Analysen insbesondere mit modernen Methoden wurden an Hexactinelliden bisher kaum durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb darin, Untersuchungen zur Morphologie, der chemischen Zusammensetzung, der Verteilung und Charakterisierung der beteiligten anorganischen und organischen Komponenten sowie einen molekularbiologischer Nachweis der Existenz von Silicatein in Hexactinelliden durchzuführen. Für diese Untersuchungen wurden zwei Spezies verwendet: Monorhaphis chuni und Crateromorpha meyeri. Mittels Elektronen-Mikrosonden-Technik wurde an Querschnitten der Pfahlnadel von M. chuni die Verteilung der Elemente innerhalb der Nadel untersucht. Am äußeren Rand der Nadel (150 µm) traten im Vergleich zur Nadelmitte prägnante Unterschiede in der Konzentration von Kaliumoxid und Natriumoxid auf. Diese Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein eines ähnlichen Transportsystems zur Anreicherung von Silizium/Silikat bei der Nadelbildung hin, wie es bereits in S. domuncula bekannt ist. Mit elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die organischen Substanzen der Silikatnadel nachgewiesen und deren Verteilung innerhalb dieser Nadeln analysiert. In der lamellaren Zone befindet sich, eine säurelabile organische Netzstruktur, sowie eine, die Silikatschichten durchspannende, säulenähnliche Struktur. Im Axialzylinder zeigt das organische Material eine leicht verzweigte fibrilläre Anordnung. Mit biochemischen Verfahren wurden die organischen Komponenten der Nadeln detaillierter untersucht. Mehrere Proteine mit Molekulargewichten von 17, 24, 27 ,30, 36 und 70 kDa wurden durch gelelektrophoretische Analysen von Material der Pfahlnadel identifiziert. Die Analyse isolierter Anteile der lamellaren Zone zeigte ausschließlich ein 27 kDa Protein. Die restlichen Proteinbanden konnten hier nicht nachgewiesen werden. Das 27 kDa Protein reagierte im Westernblot mit Antikörpern gegen Silicatein aus S. domuncula. Ein weiteres Protein wurde näher charakterisert. Ein positiver Agglutinationsassay wies ein lectinähnliches Molekül innerhalb der Nadeln nach, wie es aus S. domuncula bekannt ist. Nach einer Deglycolysierung der Proteine reduzierte sich das scheinbare Molekulargewicht der 36 kDa Bande auf 30 kDa. Durch molekularbiologische Untersuchungen wurde erstmals in Hexactinelliden die Existenz von Silicatein nachgewiesen. Nach Isolierung der Gesamt-RNA von Crateromorpha meyeri, RT-PCR und Amplifizierung mit silicateinspezifischen Primern wurde eine 549 kBp Nukleotidsequenz gefunden, die auf Aminosäureebene starke Homologien (76% identische Aminosäuren) zu bekannten Silicateinen der Demospongia aufweist. Die Aminosäuren der katalytische Triade des Silicateins, essenziell für die enzymatische Katalyse des Enzyms, sind an den selben Positionen wie bei bekannten Silicateinen vorhanden.

Identification of a silicatein(-related) protease in the giant spicules of the deep-sea hexactinellid Monorhaphis chuni

Silicateins, members of the cathepsin L family, are enzymes that have been shown to be involved in the biosynthesis/condensation of biosilica in spicules from Demospongiae (phylum Porifera), e. g. Tethya aurantium and Suberites domuncula. The class Hexactinellida also forms spicules from this inorganic material. This class of sponges includes species that form the largest biogenic silica structures on earth. The giant basal spicules from the hexactinellids Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia can reach lengths of up to 3 m and diameters of 10 mm. The giant spicules as well as the tauactines consist of a biosilica shell that surrounds the axial canal, which harbours the axial filament, in regular concentric, lamellar layers, suggesting an appositional growth of the spicules. The lamellae contain 27 kDa proteins, which undergo post-translational modification (phosphorylation), while total spicule extracts contain additional 70 kDa proteins. The 27 kDa proteins cross-reacted with anti-silicatein antibodies. The extracts of spicules from the hexactinellid Monorhaphis displayed proteolytic activity like the silicateins from the demosponge S. domuncula. Since the proteolytic activity in spicule extracts from both classes of sponge could be sensitively inhibited by E-64 (a specific cysteine proteinase inhibitor), we used a labelled E-64 sample as a probe to identify the protein that bound to this inhibitor on a blot. The experiments revealed that the labelled E-64 selectively recognized the 27 kDa protein. Our data strongly suggest that silicatein(-related) molecules are also present in Hexactinellida. These new results are considered to also be of impact for applied biotechnological studies.

Axial growth of hexactinellid spicules: Formation of cone-like structural units in the giant basal spicules of the hexactinellid Monorhaphis

The glass sponge Monorhaphis chuni (Porifera: Hexactinellida) forms the largest bio-silica structures on Earth; their giant basal spicules reach sizes of up to 3 m and diameters of 8.5 mm. Previously, it had been shown that the thickness growth proceeds by appositional layering of individual lamellae; however, the mechanism for the longitudinal growth remained unstudied. Now we show, that the surface of the spicules have towards the tip serrated relief structures that are consistent in size and form with the protrusions on the surface of the spicules. These protrusions fit into the collagen net that surrounds the spicules. The widths of the individual lamellae do not show a pronounced size tendency. The apical elongation of the spicule proceeds by piling up cone-like structural units formed from silica. As a support of the assumption that in the extracellular space silicatein(-like) molecules exist that associate with the external surface of the respective spicule immunogold electron microscopic analyses were performed. With the primmorph system from Suberites domuncula we show that silicatein(-like) molecules assemble as string- and net-like arrangements around the spicules. At their tips the silicatein(-like) molecules are initially stacked and at a later stay also organized into net-like structures. Silicatein(-like) molecules have been extracted from the giant basal spicule of Monorhaphis. Applying the SDS-PAGE technique it could be shown that silicatein molecules associate to dimers and trimers. Higher complexes (filaments) are formed from silicatein(-like) molecules, as can be visualized by electron microscopy (SEM). In the presence of ortho-silicate these filaments become covered with 30-60 nm long small rod-like/cuboid particles of silica. From these data we conclude that the apical elongation of the spicules of Monorhaphis proceeds by piling up cone-like silica structural units, whose synthesis is mediated by silicatein(-like) molecules. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Bioorganic/inorganic hybrid composition of sponge spicules: Matrix of the giant spicules and of the comitalia of the deep sea hexactinellid Monorhaphis

The giant basal spicules of the siliceous sponges Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia (Hexactinellida) represent the largest biosilica structures on earth (up to 3 m long). Here we describe the construction (lamellar organization) of these spicules and of the comitalia and highlight their organic matrix in order to understand their mechanical properties. The spicules display three distinct regions built of biosilica: (i) the outer lamellar zone (radius: >300 mu m), (ii) the bulky axial cylinder (radius: <75 mu m), and (iii) the central axial canal (diameter: <2 mu m) with its organic axial filament. The spicules are loosely covered with a collagen net which is regularly perforated by 7-10 mu m large holes; the net can be silicified. The silica layers forming the lamellar zone are approximate to 5 mu m thick; the central axial cylinder appears to be composed of almost solid silica which becomes porous after etching with hydrofluoric acid (HF). Dissolution of a complete spicule discloses its complex structure with distinct lamellae in the outer zone (lamellar coating) and a more resistant central part (axial barrel). Rapidly after the release of the organic coating from the lamellar zone the protein layers disintegrate to form irregular clumps/aggregates. In contrast, the proteinaceous axial barrel, hidden in the siliceous axial cylinder, is set up by rope-like filaments. Biochemical analysis revealed that the (dominant) molecule of the lamellar coating is a 27-kDa protein which displays catalytic, proteolytic activity. High resolution electron microscopic analysis showed that this protein is arranged within the lamellae and stabilizes these surfaces by palisade-like pillars. The mechanical behavior of the spicules was analyzed by a 3-point bending assay, coupled with scanning electron microscopy. The load-extension curve of the spicule shows a biphasic breakage/cracking pattern. The outer lamellar zone cracks in several distinct steps showing high resistance in concert with comparably low elasticity, while the axial cylinder breaks with high elasticity and lower stiffness. The complex bioorganic/inorganic hybrid composition and structure of the Monorhaphis spicules might provide the blueprint for the synthesis of bio-inspired material, with unusual mechanical properties (strength, stiffness) without losing the exceptional properties of optical transmission. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

The unique skeleton of siliceous sponges (Porifera; Hexactinellida and Demospongiae) that evolved first from the Urmetazoa during the Proterozoic: a review

Sponges (phylum Porifera) had been considered as an enigmatic phylum, prior to the analysis of their genetic repertoire/tool kit. Already with the isolation of the first adhesion molecule, galectin, it became clear that the sequences of sponge cell surface receptors and of molecules forming the intracellular signal transduction pathways triggered by them, share high similarity with those identified in other metazoan phyla. These studies demonstrated that all metazoan phyla, including Porifera, originate from one common ancestor, the Urmetazoa. The sponges evolved prior to the Ediacaran-Cambrian boundary (542 million years ago [myr]) during two major "snowball earth events", the Sturtian glaciation (710 to 680 myr) and the Varanger-Marinoan ice ages (605 to 585 myr). During this period the ocean was richer in silica due to the silicate weathering. The oldest sponge fossils (Hexactinellida) have been described from Australia, China and Mongolia and are thought to have existed coeval with the diverse Ediacara fauna. Only little younger are the fossils discovered in the Sansha section in Hunan (Early Cambrian; China). It has been proposed that only the sponges possessed the genetic repertoire to cope with the adverse conditions, e.g. temperature-protection molecules or proteins protecting them against ultraviolet radiation. The skeletal elements of the Hexactinellida (model organisms Monorhaphis chuni and Monorhaphis intermedia or Hyalonema sieboldi) and Demospongiae (models Suberites domuncula and Geodia cydonium), the spicules, are formed enzymatically by the anabolic enzyme silicatein and the catabolic enzyme silicase. Both, the spicules of Hexactinellida and of Demospongiae, comprise a central axial canal and an axial filament which harbors the silicatein. After intracellular formation of the first lamella around the channel and the subsequent extracellular apposition of further lamellae the spicules are completed in a net formed of collagen fibers. The data summarized here substantiate that with the finding of silicatein a new aera in the field of bio/inorganic chemistry started. For the first time strategies could be formulated and experimentally proven that allow the formation/synthesis of inorganic structures by organic molecules. These findings are not only of importance for the further understanding of basic pathways in the body plan formation of sponges but also of eminent importance for applied/commercial processes in a sustainable use of biomolecules for novel bio/inorganic materials.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Développement du squelette du crinoïde Florometra serratissima et évolution des protéines de la matrice de spicules chez les ambulacraires

Les crinoïdes sont bien connus pour leurs fossiles, mais la biominéralisation de leurs stades larvaires n’est que peu documentée. La première partie du projet présente le développement des ossicules des trois stades larvaires du comatule Florometra serratissima : doliolaria, cystidienne et pentacrinoïde. Les ossicules du crinoïde démontraient de la plasticité phénotypique et de la désynchronisation dans leur développement. Les crinoïdes étant la classe basale des échinodermes modernes, ceci porte à croire que ces traits étaient aussi caractéristiques des échinodermes ancestraux et auraient joué un rôle dans la radiation hâtive et la grande disparité des échinodermes. Pour notre deuxième étude, comme les patrons de morphologie des crinoïdes et des autres échinodermes sont nombreux et sont régulés par des protéines spécifiques, nous avons vérifié la présence de quatre familles de protéines de la matrice de spicules (SMAP) connues chez les oursins dans les transcriptomes des autres échinodermes et d’autres deutérostomes. La famille des spicules matrix (SM) et l’anhydrase carbonique CARA7LA étaient absentes chez tout autre organisme que les oursins, les protéines spécifiques au mésenchyme (MSP130) étaient présentes en nombres différents chez tous les ambulacraires suggérant de multiples duplications et pertes, et les métalloprotéases étaient nombreuses chez chacun. Le développement des ossicules chez les échinodermes est un sujet qui a gagné en popularité au cours des dernières décennies, spécialement chez les oursins, et inclure les crinoïdes dans ce type d’étude permettra de nous renseigner sur l’origine et l’évolution des échinodermes modernes.

Sponge spicules indicate Holocene environmental changes on the Nabileque River floodplain, southern Pantanal, Brazil

Sponge spicules are siliceous microfossils that are especially useful for analysis of sandy fluvio-lacustrine sediments. Sponge spicules in a long sediment core (~550 cm below surface), consisting of fine sand, sandy silt, and organic-rich mud, recovered from the floodplain of the Nabileque River, southern Pantanal, Brazil (S20°16′38. 3″/W57°33′00. 0″), form the basis of a novel paleoenvironmental interpretation for this region. Optically stimulated luminescence dates constrain the timing of deposition to the middle-late Holocene and all spicules identified are typical of the Brazilian cerrado biome. The base of the section is dominated by Oncosclera navicella Carter 1881, Metaniaspinata Carter 1881, and Corvospongilla seckti Bonetto and Ezcurra de Drago 1966, which indicate a lotic to semi-lotic environment strongly influenced by an actively meandering river channel at ~6. 7-5. 7 ka BP. The appearance of Heterorotula fistula Volkmer-Ribeiro and Motta 1995, Dosilia pydanieli Volkmer-Ribeiro 1992 and Radiospongilla amazonensis Volkmer-Ribeiro and Maciel 1983 at ~340 cm downcore suggests a reduction in flowing water and a more stable lentic environment, consistent with deposition in an oxbow lake. This oxbow lake environment existed during an interval of regional aridity between ~4. 5 and 3. 9 ka BP. Spicules, as well as phytoliths and diatoms, are highly variable moving up-section, with species from both lotic and lentic ecosystems present. Above ~193 cm, the total abundance of spicules declines, consistent with wetter climate conditions and development of an underfit river similar to the modern floodplain. Results support hypotheses related to migration of the Paraguay River inferred from geomorphological studies and add a key southern-region dataset to the emerging Holocene database of paleoenvironmental records from the Pantanal wetlands. © 2012 Springer Science+Business Media Dordrecht.

Dangerous waters: outbreak of eye lesions caused by fresh water sponge spicules

Purpose To describe an extremely uncommon outbreak of eye lesions in a specific area of the Brazilian Amazonia. Methods Prospective noncomparative case series. Fifty-nine patients who developed eye lesions after swimming in the Araguaia river of Tocantins state in Brazil were examined. A team of ophthalmologists equipped with a slit-lamp, gonioscopic lenses, and indirect ophthalmoscopy performed full eye examination. Analysis of the flora and fauna of the river water was undertaken by a group of experts. Results and Conclusions Eighty-three eyes were affected. The most common lesions were corneal opacities seen in 34 eyes and conjunctival nodules diagnosed in 12 eyes. Severe visual acuity loss was detected in seven children with unilateral anterior chamber lesions. Spicules of the sponge species Drulia uruguayensis and Drulia ctenosclera were found inside three blind eyes that have been enucleated for diagnostic purposes. All eye lesions could be attributed to an outbreak of foreign bodies from fresh water sponges. Organic enrichment of the water resulting from the absence of sanitation probably was the key factor, which initiated a cycle of ecological imbalance that provoked human disease.

Siliceous Sponge Spicules of the Quadrant Formation from Montana.

A sponge spicule is a siliceous or calcareous individual or group of rays which form a framework for the sponge. Sponge spicules are very delicate and easily broken. The methods used in obtaining micro-fossils vary considerably with the type of material from which they are to be recovered and the frailness of the fossil obtained.