Les éponges marines s'ancrent sur les fonds océaniques à l'aide de spicules, qui peuvent atteindre plusieurs mètres de long. Certaines de ces spicules sont constituées de silice, déposée en couches concentriques autour d'un filament organique [32] (Fig. 1). Lors de la formation de ces spicules, le filament organique est entouré de cellules, appelées sclérocytes, dont les membranes délimitent un compartiment pour la condensation des précurseurs de silice captés dans le milieu extérieur [51].

Les diatomées sont des algues unicellulaires photosynthétiques qui s'entourent d'une coque de silice, appelée frustule, constituée de deux valves dont la morphologie et la porosité sont parfaitement contrôlées, de l'échelle nanométrique aux dimensions micrométriques [45]. Lors de la division cellulaire, les deux cellules filles issues de la mitose doivent élaborer chacune une nouvelle valve afin de compléter leur frustule. Les précurseurs de silice, captés dans le milieu extérieur et/ou extraits d'une réserve intracellulaire, sont transportés, accumulés et condensés au sein d'une vésicule spécialisée, appelée VDS (vésicule de déposition de la silice), qui s'élargit à mesure que la valve se forme [43].

L'étude de la déposition de la silice par les microorganismes a longtemps été limitée à l'observation ultrastructurale par microscopie optique ou électronique [42,44]. Plus récemment, les spectroscopies utilisant le rayonnement synchrotron (SAXS, EXAFS, XANES) [17,53], la microscopie à force atomique [1,15,19] et la résonance magnétique à l'état solide du ²⁹Si [2,18,39] (Fig. 2) ont permis d'explorer plus avant les silices biogéniques, de leur structure à l'échelle atomique aux propriétés mécaniques des frustules. Des approches de chimie quantique ont aussi été utilisées pour modéliser les interactions protéines/silice [33,46].

Une approche usuelle pour identifier les macromolécules intervenant dans les processus de biominéralisation consiste à les extraire des organismes par dissolution de la composante minérale, les purifier et les analyser (électrophorèse, séquençage…), puis d'étudier leur effet sur la formation in vitro des minéraux considérés. La description du génome complet de certains organismes est désormais accessible et des approches génomiques sont envisageables.

Dans ce cadre, le traitement par l'acide fluorhydrique de spicules de l'éponge Tethya auranthia a permis d'isoler le filament organique central. Il est constitué des trois protéines, appelées silicatéines α, β et γ. La silicatéine α, majoritaire, présente une séquence et une structure tertiaire très proche d'une enzyme protéolytique, la cathepsine L. En fait, ces deux protéines ne diffèrent que par un acide aminé situé au niveau du site actif de l'enzyme [47]. Il a été montré que cette modification permettait à la silicatéine α de catalyser l'hydrolyse d'un alcoxyde de silicium Si(OR)₄, et donc d'activer la formation de la silice, à partir de ces précurseurs. De fait, la mise en contact du filament organique avec ces précurseurs conduit à un dépôt immédiat de silice sur sa surface [5].

Dans le cas des diatomées, plusieurs protéines ont pu être isolées, selon le mode d'extraction utilisée [41]. Un traitement à l'EDTA a permis l'identification de glycoprotéines, nommées frustulines, qui semblent interagir faiblement avec la surface de la frustule via des ions calcium [24,25,36]. Un premier traitement avec HF a conduit à l'extraction de protéines appelées pleuralines, riches en proline et présentant une répétition de domaines PSCD [23,26,50]. Ni les frustulines, ni les pleuralines ne semblent activer la formation de la silice. Elles pourraient cependant jouer un rôle dans le contrôle de la morphologie de la frustule.

Des traitements supplémentaires avec HF ont permis d'isoler trois nouvelles protéines, appelées silaffines [27]. Deux d'entre elles, les silaffines 1-A₁ et 1-A₂ sont enrichies en lysine et sérine [29]. Ces groupements lysine sont modifiés par des polyamines à longue chaîne (Fig. 3). Une fraction supplémentaire contenant des polyamines méthylées a aussi pu être isolée [28]. En présence d'alcoxydes de silicium pré-hydrolysés, ces différentes molécules conduisent à la formation de nanoparticules de silice, la vitesse du processus et la taille des particules dépendant de la fraction utilisée. Plus récemment, un traitement HF dans des conditions plus douces a montré que les groupements hydroxyles des silaffines sont tous phosphorylés, montrant la possible dégradation des molécules présentes dans les organismes par le procédé d'extraction [30]. Ces silaffines phosphorylées présentent des propriétés d'auto-assemblage qui pourraient être mises en jeu dans la morphogenèse de la frustule [49].

Des informations supplémentaires sur les gènes et les protéines gouvernant la biosynthèse de la silice pourront bientôt être obtenues grâce au séquençage, récemment achevé, du génome de Thalassiosira pseudonana et de celui, en cours, de Phaeodactylum tricornutum [36].

Même si elle constitue l'approche la plus directe pour étudier les processus de biosilicification, l'étude des interactions entre les molécules extraites des organismes et les précurseurs de silice est rendue difficile par leur diversité et leur complexité. Une approche biomimétique mettant en jeu des biomolécules plus simples et mieux connues peut permettre d'identifier, dans un premier temps, la nature des interactions mises en jeu ainsi que les propriétés des protéines requises pour condenser et organiser la silice.

Parmi les différents précurseurs de silice possibles, les silicates de sodium, constitués d'acides siliciques monomères (Si(O _n (OH)_4–n )^4–n et d'oligomères (Si _x O _y (OH) _z ) ⁿ paraissent les mieux adaptés, puisqu'ils correspondent aux précurseurs naturels présents dans les milieux marins. Cependant, leur réactivité dépend fortement de la concentration, du pH et de la salinité du milieu réactionnel, rendant leur étude parfois difficile [21].

Dans un premier temps, des acides aminés et polyacides aminés ont été mis en contact avec des solutions diluées de silicate de sodium [8,35]. Alors que les acides aminés semblent avoir peu d'effet, deux peptides, la polylysine et la polyarginine, favorisent la condensation de la silice. Ces études, menées en fonction du pH et de la longueur de la chaîne polymère, permettent de proposer un modèle d'activation mettant en jeu l'adsorption des silicates négatifs sur les groupements ammonium positifs des peptides, ces silicates servant de sites de nucléation pour la formation du gel de silice [12]. Ces résultats renforcent la validité du modèle choisi, puisque la lysine est présente en quantité importante dans les protéines extraites des diatomées.

L'utilisation de deux protéines, le lysozyme et l'albumine de sérum bovin (ASB) contenant toutes deux une quantité importante de groupements lysine et arginine, a, par la suite, permis de révéler l'importance des propriétés d'auto-assemblage des biomolécules sur le contrôle de la morphologie de la silice [14]. En effet, le lysozyme, petit peptide (MM = 16 kDa) chargé positivement à pH 7, se comporte de façon comparable aux polylysine et polyarginine à ce pH. Au contraire, l'ASB, de taille plus importante (MM = 69 kDa), n'acquiert une charge positive que vers pH 5, valeur à partir de laquelle la chaîne peptidique peut se déployer et former des gels en présence d'agents dénaturants ou de polyanions. De fait, l'ajout de silicates à ce pH conduit à la formation d'un gel composite constitué de nanoparticules de silice de taille contrôlée (50–100 nm), piégées dans une matrice protéique d'ASB (Fig. 4). D'autres travaux mettant en jeu des tensioactifs dérivés de l'arginine [13], ainsi que des co-polypeptides à blocs synthétiques [6], ont permis de confirmer l'importance de l'organisation des groupements ammonium des résidus lysine et arginine sur l'activation de la condensation de la silice et le contrôle de sa morphologie.

L'étude des processus de biominéralisation est, par essence, un champ de recherche interdisciplinaire. Cela est d'autant plus vrai pour la silice, dont la physico-chimie, très différente de celle des autres biominéraux, nécessite des approches expérimentales et des techniques d'analyse spécifiques.

Outre l'élargissement de la connaissance du fonctionnement des micro-organismes, les études présentées ici peuvent avoir des implications dans l'étude des phénomènes de fossilisation [54], ainsi que dans l'élaboration de nouveaux matériaux pour la microélectronique [4], la catalyse [16], les biotechnologies [37] et les biomatériaux [11].

In order to resist the water streams in the ocean bed, marine sponges anchor on the seafloor thanks to a mineral spicule. Some of these spicules consist of silica rods with diameters reaching several millimetres and lengths up to 3 m. They are made of concentric layers of silica deposited on an axial organic filament [32] (Fig. 1).

At the first stage of spicule formation, the axial filament is surrounded by specialized cells, the sclerocytes, whose membranes delimit a silica-deposition compartment. Silicic acid, the naturally occurring precursor of silica, is collected from the outside media and transported through the sclerocyte cytoplasm, to reach the surface of the filament, where it polymerises [51].

Diatoms are photosynthetic algae that build up a silica wall named frustule. In most species, the frustule consists of two half valves joined by several girdle bands, fully casing the cell. They exhibit a finely dedicated and differentiated network of pores of nano- to micrometer size [45] (Fig. 1).

Frustule formation occurs during the cell division process [43] and [45]. After mitosis, two daughter cells are obtained, each of which needing a complementary half case and corresponding girdle bands to separate. At this point, extracellular silicic acid, as well as precursors from an intracellular silica pool, is transported to the non-silicified surface of each cell. Accumulation and polymerisation then occurs in a silica deposition vesicle (SDV) that enlarges as frustule growth proceeds. It was suggested that silicic acid could be transported by specific vesicles that would fuse together to form the SDV. Upon frustule completion, exocytosis of the newly formed valves occurs, allowing daughter cells separation. After girdle band formation, maturation of the silica network proceeds for a few hours.

Upon HF treatment of Tethya aurantia spicule, the initial axial filaments could be recovered. They were shown to contain three proteins, named silicatein α, β and γ. Determination of amino acid sequence and modelling of the three-dimensional structure of silicatein α revealed a very close similarity with the cathepsin L proteolytic enzymes. Among the three amino acids that compose the catalytic site (cysteine-25, histidine-163 and asparagine-187), the cysteine is replaced by a serine for the sponge α and β proteins [47]. This substitution is interesting, as the hydroxyl group borne by serine is known to interact strongly with silicates and silicon alkoxides. Indeed, silicatein α was shown to catalyse the hydrolysis of tetraethoxysilane Si(OC₂H₅)₄ (TEOS) and hence, to induce the polymerisation of silica. When the extracted axial filament was put into contact with TEOS, it was rapidly covered by a silica layer [5]. Moreover, when the active site of silicatein α was modified using combinatorial mutagenesis and the serine group was substitute by an alanine, the catalytic activity was lost [55]. More recently, one silicatein gene was found in Suberites domuncula [22] and a partial mRNA sequence was identified from Halichondria okadai. However, in the later case, the histidine residue of the active site was replaced by a tryptophane. It could be interesting to check for the consequence of such a substitution on the catalytic activity.

In the case of diatoms, several proteins could be isolated, depending on the extraction process. Using EDTA, soluble glycoproteins named frustulins were characterized, exhibiting acidic cystein-rich domains with polyproline/hydroxyproline or polyglycine spacers [24] and [25]. They appear to cover the frustule surface, weakly interacting with silica likely via Asp^– Ca^{2+ –}O–Si bonds. This proteins family was initially found in two pennate diatoms species, but recent progress in genomic information revealed that they also exist in another pennate Phaeodactylum tricornutum [36] and in the centric Thalassiosiria pseudonana. A first extraction using anhydrous HF led to the identification of proteins, originally named HEP (HF-Extracted Proteins) and later on renamed as pleuralins. They exhibit high molecular weights (from 150 to 200 kDa), harbouring a proline-rich stretch followed by several repetitions of a PSCD-domain (composed by Pro 22%, Ser 11%, Cys 11%, Asp 9%) [23] and [26]. The hydroxy amino acids (Ser) may form hydrogen bonds with Si–OH silanol groups [50]. These proteins, associated to the girdle region, are still unique for Cylindrotheca fusiformis. None of these two sets of proteins, the frustulins and the pleuralins, were able to induce silica precipitation in the presence of mineral precursors. However, they were suggested to be involved in the control of frustule morphogenesis.

Further HF extraction experiments allowed the isolation of three silica-associated peptides named silaffins [27]. Two of them, the silaffin-1A₁ and -1A₂, were sequenced by mass spectrometry and were shown to be encoded by the same sil1 gene from C. fusiformis [29]. These silaffin-1As are enriched in lysine and serine groups. Moreover, amino groups of the lysine residues are modified by introduction of long-chain polyamines, ε-N,N-dimethyl-lysine or ε-N,N,N-trimethyl-δ-hydroxy-lysine [29] (Fig. 3). Another fraction of methylated polyamines were also recovered and identified from a HF-extraction procedure [28]. When put in contact with HF-extracts, aqueous solutions of pre-hydrolysed silicon alkoxides at pH 7 precipitate and form silica nanoparticles. The reaction rate as well as the particle size depends on the extracted fraction [28] and [29]. Of particular interest is the fact that, at pH 5, unsubstituted polyamines did not induce silica formation, whereas alkylated ones did. This is to be linked with previous reports on a possible acid pH within the SDV [52]. More recently, HF treatment in milder conditions revealed that the hydroxy groups of the silaffin serine residues were phosphorylated, illustrating the possible degradation of pristine molecules during the initial extraction process [30]. These zwitterionic proteins exhibit self-assembly properties that may be involved in the frustule morphogenesis [49].

More information on the function and role of genes and proteins that govern silica biosynthesis in diatoms is expected to come from the availability of genomic information and the development of a range of tools used for functional genomics. Indeed, the genome sequence of the centric Thalassiosira pseudonana has been completed and its annotation is in progress. The pennate diatom Phaeodactylum tricornutum is due to be completely sequenced this year.