Molecular Processes of Biosilicification in Diatoms

Biomineralization: From Nature to Application

Volumn 4, Issue , 2010, Pages 255-294

  Davis, Aubrey K ^a   Hildebrand, Mark ^a  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

Biosilicification; Cell wall; Diatom; Mesoscale; Microscale; Nanoscale; Regulation; Silica

Indexed keywords

AMINES; FREE ENERGY; GENE EXPRESSION; GENE EXPRESSION REGULATION; MACHINERY; NANOTECHNOLOGY; PHYTOPLANKTON; POLYMERIZATION;

BIOSILICIFICATION; CELL WALLS; DIATOM; MESOSCALE; MICRO-SCALE; NANO SCALE; REGULATION;

SILICA;

EID: 84954151795     PISSN: None     EISSN: None     Source Type: Book    
DOI: 10.1002/9780470986325.ch8     Document Type: Chapter

References (154)

1. P. Trequer, D. M. Nelson, A. J. Van Bennekom, D. J. DeMaster, A. Leynaert, B. Queguiner, Science 1995, 268, 375-379.
2. S. Sjoberg, A. Norden, I. Nils, Mar. Chem. 1981, 10, 521-532.
3. H. D. Holland, The Chemical Evolution of the Atmosphere and Oceans, Princeton University Press, Princeton, NJ, 1984, p. 582.
4. T. L. Simpson, B. E. Volcani (Eds), Silicon and Siliceous Structures in Biological Systems, Springer-Verlag, New York, 1981, p. 1-587.
5. E. M. Carlisle, in Silicon in Bone Formation (Eds: T. L. Simpson, B. E. Volcani), Springer-Verlag, New York, 1981, pp. 69-94.
6. E. M. Carlisle, Science 1970, 167, 279-280.
7. P. E. Keeting, M. J. Oursler, K. E. Wiegand, S. K. Bonde, T. C. Spelsberg, L. B. Riggs, J. Bone Miner. Res. 1992, 7, 1281-1289.
8. E. Epstein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1994, 91, 11-17.
9. M. Maldonado, M. C. Carmona, Z. Velásquez, A. Puig, A. Cruzado, A. Lopez, C. M. Young, Limnol. Oceanog. 2005, 50, 799-809.
10. D. M. Nelson, P. Tréguer, M. A. Brzezinski, A. Leynaert, Global Biogeochem. Cycles 1995, 9, 359-372.
11. T. A. Norten, M. Melkonian, R. A. Andersen, Phycologia 1996, 35, 353-365.
12. F. E. Round, R. M. Crawford, D. G. Mann, The Diatoms: Biology and Morphology of the Genera, Cambridge University Press, Cambridge, 1990, p. 747.
13. E. Armbrust, J. Berges, C. Bowler, B. Green, D. Martinez, N. Putnam, S. Zhou, A. Allen, K. Apt, M. Bechner, M. Brzezinski, B. Chaal, A. Chiovitti, A. Davis, M. Demarest, J. Detter, T. Glavina, D. Goodstein, M. Hadi, U. Hellsten, M. Hildebrand, B. Jenkins, J. Jurka, V. Kapitonov, N. Kröger, W. Lau, T. Lane, F. Larimer,J. Lippmeier, S. Lucas, M. Medina, A. Montsant, M. Obornik, M. Parker, B. Palenik, G. Pazour, P. Richardson, T. Rynearson, M. Saito, D. Schwartz, K. Thama-Trakoln, K. Valentin, A. Vardi, F. Wilkerson, D. Rokhsar, Science 2004, 306, 79-86.
14. K. E. Apt, P. G. Kroth-Pancic, A. R. Grossman, Molec. General Genetics 1996, 252, 572-579.
15. T. G. Dunahay, E. E. Jarvis, P. G. Roessler, J. Phycol. 1995, 31, 1004-1012.
16. A. Falciatore, R. Casotti, C. Leblanc, C. Abrescia, C. Bowler, Marine Biotechnology 1999, 1, 239-251.
17. H. Fischer, I. Robl, M. Sumper, N. Kröger, J. Phycol. 1999, 35, 113-120.
18. N. Poulsen, P. M. Chesley, N. Kröger, J. Phycol. 2006, 42, 1059-1065.
19. L.A. Zaslavskaia, J. C. Lippmeier, P. G. Kroth, A. R. Grossman, K. E. Apt, J. Phycol. 2000, 36, 379-386.
20. K. E. Cooksey, J. Phycol. 1974, 10, 253-257.
21. J. Hayward, Phys. Plantarum. 1965, 18, 201.
22. R. F. Aline, C. D. Reeves, A. F. Russo, B. E. Volcani, Plant Physiol. 1984, 76, 674-679.
23. T. W. Okita, B. E. Volcani, Exp. Cell Res. 1980, 125, 471-481.
24. F. Azam, B. B. Hemmingsen, B. E. Volcani, Arch. Microbiol. 1974, 97, 103-114.
25. P. Bhattacharyya, B. E. Volcani, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1981, 77, 6386-6390.
26. C. W. Sullivan, B. E. Volcani, Arch. Biochem. Biophys. 1974, 163, 29-45.
27. J. Coombs, B. E. Volcani, Planta 1968, 80, 264-279.
28. W. M. Darley, C. W. Sullivan, B. E. Volcani, Planta 1976, 130, 159-167.
29. W. M. Darley, B. E. Volcani, Exp.Cell Res. 1969, 58, 334-342.
30. M. Hildebrand, D. R. Higgins, K. Busser, B. E. Volcani, Gene 1993, 132, 213-218.
31. M. Hildebrand, K. Dahlin, B. E. Volcani, Mol. Gen. Genet. 1998, 260, 480-486.
32. M. Hildebrand, B. E. Volcani, W. Gassmann, J. I. Schroeder, Nature 1997, 385, 688-689.
33. N. Kröger, R. Deutzmann, M. Sumper, Science 1999, 286, 1129-1132.
34. N. Kröger, S. Lorenz, E. Brunner, M. Sumper, Science 2002, 298, 584-586.
35. N. Kröger, R. Deutzmann, C. Bergsdorf, M. Sumper, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2000, 97, 14133-14138.
36. A.Falciatore, C. Bowler, Ann. Rev. Plant Biol. 2002, 53, 109-130.
37. A.Montsant, K. Jabbari, U. Maheswari, C. Bowler, Plant Physiol. 2005, 137, 500-513.
38. A. K. Davis, M. Hildebrand, B. Palenik, J. Phycol. 2005, 41, 577-589.
39. G.J. Doucette, N. M. Price, P. J. Harrison, J. Phycol. 1987, 23, 9-17.
40. M.Hildebrand, E. York, J. I. Kelz, A. K. Davis, L. G. Frigeri, D.P.Allison, M. J. Doktycz, J. Materials Res. 2006, 21, 2689-2698.
41. L. K. Medlin, W. H. C. F. Kooistra, R. Gersonde, U. Wellbrock, Mol. Biol. Evol. 1996, 13, 67-75.
42. J. Pickett-Heaps, A.-M. M. Schmid, L. A. Edgar, in The Cell Biology of Diatom Valve Formation (Eds: F. E. Round, D. J. Chapman), Biopress Ltd., Bristol, 1990,pp. 1-168.
43. R. W. Drum, H. S. Pankratz, J. Ultrastruc. Res. 1964, 10, 217-223.
44. B. E. F. Reimann, J. C. Lewin, B. E. Volcani, J. Phycol. 1966, 2, 74-84.
45. A. M. Schmid, M. A. Borowitzka, B. E. Volcani, in Morphogenesis and Biochemistry of Diatom Cell Walls (Ed.: O. Kiermayer), Vol. 8, 1981, pp. 63-97.
46. N. Kröger, R. Wetherbee, Protist 2000, 151, 263-273.
47. M. A. Brzezinski, R. J. Olson, S. W. Chisholm, Mar. Ecol. Prog. Ser. 1990, 67, 83-96.
48. M. Hildebrand, L. Frigeri, A. K. Davis, J. Phycol. 2007, 43, 730-740.
49. J. Coombs, P. J. Halicki, O. Holm-Hansen, B. E. Volcani, Exp. Cell Res. 1967, 47, 315-328.
50. N. Kröger, C. Bergsdorf, M. Sumper, EMBO Journal 1994, 13, 4676-4683.
51. T. W. Okita, B. E. Volcani, Biochem. Biophys. Acta 1978, 519, 76-86.
52. C. D. Reeves, B. E. Volcani, J. Gen. Microbiol. 1985, 131, 1735-1744.
53. C.W. Sullivan, B. E. Volcani, Biochem. Biophys. Acta 1973, 308, 205-211.
54. A.Chiovitti, R. E. Harper, A. Willis, A. Bacic, P.Mulvaney,R. Wetherbee, J. Phycol. 2005, 41, 1154-1161.
55. K. Nasmyth, Trends Genet. 1996, 12, 405-412.
56. V. Martin-Jézéquel, M. Hildebrand, M. A. Brzezinski, J. Phycol. 2000, 36, 821-840.
57. R. K. Iler, The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry, Wiley-Interscience, New York, 1979, p. 866.
58. A. Rogerson, A. S. W. deFreitas, A. G. McInnes, Can. J. Microbiol. 1987, 33, 128-131.
59. A.-M. Schmid, D. Schulz, Protoplasma 1979, 100, 267-288.
60. C.W. Sullivan, J. Phycol. 1976, 12, 390-396.
61. S.D. Kinrade, A. M. E. Gillson, C. T. G. Knight, J.Chem. Soc.Dalton Trans. 2002, 3, 307-309.
62. C.W. Sullivan, J. Phycol. 1979, 15, 210-216.
63. S. D. Kinrade, J. W. Del Nin, A. S. Schach, T. A. Sloan, K. L. Wilson, C. T. G. Knight, Science 1999, 285, 1542-1545.
64. D. Lal, C. Charles, L. Vacher, J. N. Goswami, A. J. T. Jull, L. McHargue, R. C. Finkel, Geochim. Cosmochim. Acta 2006, 70, 3275-3289.
65. J. H. Martin, G. A. Knauer, Geochim. Cosmochim. Acta 1973, 37, 1639-1658.
66. E. Paasche, Mar. Biol. 1973, 19, 117-126.
67. E. Paasche, Mar. Biol. 1973, 19, 262-269.
68. F. Azam , B. E. Volcani, Arch. Microbiol. 1974, 101, 1-8.
69. Y.Del Amo, M. A. Brzezinski, J. Phycol. 1999, 35, 1162-1170.
70. D.M. Nelson, J. J. Goering, S. S. Kilham, R. R. L. Guillard, J. Phycol. 1976, 12, 246-252.
71. F.Azam, Planta 1974, 121, 205-212.
72. M. Hildebrand, Biomineralisation of Nano- and Micro-Structures (Ed.: E. Baeuer- lein), Wiley-VCH, Weinheim, 2000, 171-188.
73. K.Thamatrakoln, A. J. Alverson, M. Hildebrand, J. Phycol. 2006, 42, 822-834.
74. K.Thamatrakoln, M. Hildebrand, Euc. Cell 2007, 6, 271-279.
75. K. Thamatrakoln, M. Hildebrand, J. Nanosci. Nanotechnol. 2005, 5, 158-166.
76. T. A. Sherbakova, Y. Masyukova, T. Safonova, D. Petrova, A. Vereshagin, T. Minaeva, R. Adelshin, T. Triboy, I. Stonik, N. Aizdaitcher, M. Kozlov, Y. Likhoshway, M. Grachev, Mol. Biol. (Mosc.) 2005, 39, 269-280.
77. J. G. Rueter, Jr., F. M. M. Morel, Limnol. Oceanog. 1981, 26, 67-73.
78. M. A. Grachev, N. N. Denikina, S. I. Belikov, E. V. Likhoshvai, M. V. Usol'tseva, I. V. Tikhonova, R. V. Adel'shin, S. A. Kler, T. A. Sherbakova, Mol. Biol. (Mosc.) 2002, 36, 534-536.
79. W. H. Casey, S. D. Kinrade, C. T. G. Knight, D. W. Rains, E. Epstein, Plant Cell Environ. 2004, 27, 51-54.
80. Y.Huang, J. Lemiux, J. Song, M. Auer, D. Wang, Science 2003, 301, 616-620.
81. C.Tanford, Ann. Rev. Biochem. 1983, 52, 379-409.
82. I. C. West, Biochim. Biophys. Acta 1997, 1331, 213-234.
83. H.L. Conway, P. J. Harrison, Mar. Biol. 1977, 43, 33-43.
84. H.L. Conway, P. J. Harrison, C. O. Davis, Mar. Biol. 1976, 35, 187-199.
85. M. Hildebrand, Progress in Organic Coatings 2003, 47, 256-266.
86. M. Hildebrand, R. Wetherbee, in Components and Control of Silicification in Diatoms (Ed.: W. E. G. Muller), Vol. 33, Springer-Verlag, Heidelberg, 2003, pp. 11-57.
87. A. J. Milligan, D. E. Varela, M. A. Brzezinski, F. M. M. Morel, Limnol. Oceanog. 2004, 49, 322-329.
88. P. Claquin, V. Martin-Jezequel, Mar. Biol. 2005, 146, 877-886.
89. C. W. Sullivan, J. Phycol. 1977, 13, 86-91.
90. S. W. Chisholm, F. Azam, R. W. Eppley, Limnol. Oceanog. 1978, 23, 518-529.
91. C. W. Sullivan, B. E. Volcani, Silicon in the Cellular Metabolism of Diatoms in Silicon and Siliceous Structures in Biological Systems (Eds: T. L. Simpson, B. E. Volcani), Springer-Verlag, New York, 1981, pp. 15-42.
92. N. Bryant, R. Govers, D. James, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2002, 3, 267-277.
93. C. B. Dugani, A. Klip, EMBO Rep. 2005, 12, 1137-1142.
94. P. Anderson, N. Kedersha, J. Cell Sci. 2002, 115, 3227-3234.
95. N. Poulsen, N. Kröger, FEBS Journal 2005, 272, 3413-3423.
96. F. Noll, M. Sumper, N. Hampp, NanoLett. 2002, 2, 91-95.
97. D. G. Mann, An Ontogenetic Approach to Diatom Systematics in Proc. of 7th Intern. Diatom Symposium (Ed.: D. G. Mann), Koeltz, Koenigstein, 1984, pp. 113-141.
98. J. D. Pickett-Heaps, D. H. Tippit, J. A. Andreozzi, Biologie Cellulaire 1979, 35, 199-206.
99. A. M. L. van de Meene, J. D. Pickett-Heaps, J. Phycol. 2002, 38, 351-363.
100. L. A. Edgar, J. D. Pickett-Heaps, J. Phycol. 1984, 20, 47-61.
101. J. Pickett-Heaps, J. Phycol. 1998, 34, 989-994.
102. J. Pickett-Heaps, J. Phycol. 1998, 34, 995-1004.
103. M. L. Chiappino, B. E. Volcani, Protoplasma 1977, 93, 205-221.
104. G. S. Blank, C. W. Sullivan, J. Phycol. 1983, 19, 39-44.
105. A.-M. M. Schmid, Nova Hedwiga 1980, 33, 811-847.
106. E. Schnepf, G. Deichgraber, G. Drebes, Plant System.Evol. 1980, 135, 265-277.
107. E.G. Vrieling, W. W. C. Gieskes, T. P. M. Beelen, J.Phycol. 1999, 35, 548-559.
108. F. Rodriguez, D. D. Glawe, R. R. Naik, K. P. Hallinan, M. O. Stone, Biomacromolecules 2004, 5, 261-265.
109. T. Mizutani, H. Nagase, H. Ogoshi, Chem. Lett. 1998, 2, 133-134.
110. N. Kröger, M. Sumper, The Molecular Basis of Diatom Biosilica Formation in Biomineralization: Progress in Biology, Molecular Biology and Application (Ed.:E.Baeuerlein), Wiley-VCH, Weinheim, 2004, pp. 137-158.
111. M. Sumper, S. Lorenz, E. Brunner, Angew. Chemie 2003, 42, 5192-5195.
112. E. Brunner, K. Lutz, M. Sumper, Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 854-857.
113. M. Sumper, Science 2002, 295, 2430-2433.
114. N. Poulsen, N. Kröger, J. Biol. Chem. 2004, 279, 42993-42999.
115. N. Poulsen, M. Sumper, N. Kröger, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2003, 100, 12075-12080.
116. M. Sumper, N. Kroger, J. Mater. Chem. 2004, 14, 2059-2065.
117. B. E. F. Reimann, J. C. Lewin, B. E. Volcani, J. Cell. Biol. 1965, 24, 39-55.
118. A.-M. M. Schmid, B. E. Volcani, J. Phycol. 1983, 19, 387-402.
119. E. J. Cox, J. Phycol. 1999, 35, 1297-1312.
120. R. M. Crawford, A. M. Schmid, in Ultrastructure of Silica Deposition in Diatoms (Eds: B. S. Leadbeater, R. Riding), Vol. 30, The Systematics Society, London, 1986, pp. 291-314.
121. D. H. Robinson, C. W. Sullivan, TIBS 1987, 12, 151-154.
122. V. M. Fowler, E. J. Luna, W. R. Haregreaves, D. L. Taylor, D. Branton, J. Cell Biol. 1981, 88, 388-395.
123. N. C. Poulsen, I. Spector, T. P. Spurck, T. F. Schultz, R. Wetherbee, Cell Motil. Cytoskel. 1999, 23-33.
124. B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishers, New York, 1994, p. 1294.
125. L. G. Frigeri, T. R. Radabaugh, P. A. Haynes, M. Hildebrand, Mol. Cell Proteomics 2006, 5, 182-193.
126. D. G. Mann, Phycologia 1999, 38, 437-495.
127. J. C.Lewin, Can. J. Microbiol. 1957, 3, 427-433.
128. E. Paasche in Silicon (Ed.: I. Morris), Vol. 7, University of California Press, Berkeley, 1980, pp. 259-284.
129. N. J. Taylor, Br. Phycol. J. 1985, 20, 365-374.
130. M. L. Tuchman, E. Theriot, E. F. Stoermer, Arch. Protistenkd. 1984, 128, 319-326.
131. E. Vrieling, T. Beelen, R. van Santen, W. Gieskes, J. Phycol. 2000, 36, 146-159.
132. M. McMillan, J. R. Johansen, Br. Phycol. J. 1988, 23, 307-316.
133. J. Bähler, Annu. Rev. Genet. 2005, 39, 69-94.
134. M. Hildebrand, J. Phycol. 2005, 41, 105-113.
135. M. S. Parker, E. V. Armbrust, J. Phycol. 2005, 41, 1142-1153.
136. M. Takabayashi, F. P. Wilkerson, D. Robertson, J. Phycol. 2005, 41, 84-94.
137. S. Kindler, H. Wang, D. Richter, H. Tiedge, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2005, 21, 223-245.
138. K. E. Apt, L. Zaslavkaia, J. C. Lippmeier, M. Lang, O. Kilian, R. Wetherbee, A. R. Grossman, P. G. Kroth, J. Cell Sci. 2002, 115, 4061-4069.
139. N. Poulsen, C. Berne, J. Spain, N. Kröger, Angew. Chemie 2007, 46, 1843-1846.
140. G. Gaietta, T. J. Deerinck, S. R. Adams, J. Bouwer, O. Tour, D. W. Laird, G. E. Sosinsky, R. Y. Tsien, M. H. Ellisman, Science 2002, 296, 503-507.
141. A. Regoes, A. B. Hehl, Biotechniques. 2005, 39, 809.
142. C. Deng, M. Capecchi, Mol. Cell. Biol. 1992, 12, 3365-3371.
143. J. R. Simon, P. D. Moore, Mol. Cell. Biol. 1987, 7, 2329-2334.
144. B. Zorin, P. Hegemann, I. Sizova, Euc. Cell 2005, 4, 1264-1277.
145. G. J. Hannon, Nature 2002, 418, 244-251.
146. M. B. Dickerson, R. R. Naik, P. M. Sarosi, G. Agarwal, M. O. Stone, K. H. Sandhage, J. Nanosci. Nanotech. 2005, 5, 63-67.
147. C. S. Gaddis, K. H. Sandhage, J. Mater. Res. 2004, 19, 2541-2545.
148. K. H. Sandhage, M. B. Dickerson, P. M. Huseman, M. A. Caranna, J. D. Clifton, T. A. Bull, T. J. Heibel, W. R. Overton, M. E. A. Schoenwaelder, Adv. Mater. 2002, 14, 429-433.
149. M. Weatherspoon, S. Allan, E. Hunt, Y. Cai, K. Sandhage, Chem. Comm. 2005, 651-653.
150. N. L. Rosi, C. S. Thaxton, C. A. Mirkin, Angew. Chemie 2004, 43, 5500-5503.
151. E. K. Payne, N. L. Rosi, C. Xue, C. A. Mirkin, Angew. Chemie 2005, 44, 5064-5067.
152. T. Furhmann, S. Landwehr, M. El Rharbi-Kucki, M. Sumper, Appl. Phys. 2004, 78, 257-260.
153. M. Hildebrand, J. Nanosci. Nanotechnol. 2005, 5, 146-157.
154. K. H. Sandhage, S. M. Allan, M. B. Dickerson, C. S. Gaddis, S. Shian, M. R. Weatherspoon, Y. Cai, G. Ahmad, M. S. Haluska, R. L. Snyder, R. R. Unocic,F.M. Zalar, Y. Zhang, R. A. Rapp, M. Hildebrand, B. P. Palenik, Int. J. Appl. Ceram. Tech. 2005, 2, 317-326.