中国科学家首次用转基因蚕合成蜘蛛丝，兼具高强度和高韧性

尼龙等商业合成纤维的生产通常以化石燃料为原料，在生产过程中会向环境中排放温室气体以及有害的微塑料。在机械性能方面，有理论表明工程材料的拉伸强度和韧性特性是相互排斥的，即两者不可兼得，因此目前商业合成纤维往往只能在这两种性能之间进行折中。

蜘蛛丝被视为一种极具吸引力的合成纤维可持续替代品，它具有复杂的特性组合，强度高、重量轻且超柔韧，是一种急需开发的战略资源。

然而，“人造蜘蛛丝”想要完美复制“天然蜘蛛丝”存在诸多难点。

第一，蜘蛛丝的机械性能由其蛋白质四级结构决定，而蛋白质四级结构又受到初级蛋白质结构和纺丝过程的影响。然而，人们一直未完全探明其中机制，因此无法复制天然蜘蛛丝纺丝所需的物理化学环境；第二，天然蜘蛛丝存在成分为糖蛋白和脂质的表面层，能够帮助其承受湿度和阳光照射，被喻为抗衰老“皮肤层”，而人造蜘蛛丝难以复制这一保护层。

基于这些因素，目前可用的大多数合成蜘蛛丝纤维与其天然对应物相比在一个或多个方面表现出较差的机械性能。

（来源：Matter）

9 月 20 日，在美国材料科学-综合类期刊Matter（影响因子 18.9）上发表了一篇题为“High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms”的研究论文，中国科学家用转基因蚕合成的蜘蛛丝覆盖了类似天然蜘蛛丝表面的保护层，且比防弹背心中使用的凯夫拉纤维坚韧 6 倍。这是第一个利用蚕成功生产全长蜘蛛丝蛋白的研究。东华大学生物科学与医学工程学院博士生米俊鹏为研究的第一作者，该校孟清教授和西南大学夏庆友教授是该论文的通讯作者。

这项研究中生产的纤维具有极高的机械性能，可用作手术缝合线，还可以用来制造更舒适的服装和创新类型的防弹背心，可能在智能材料、军事、航空航天技术和生物医学工程方面有应用。

转基因蚕生产蜘蛛丝，兼具高强度和高韧性

蚕可以纺丝，如果修改相关基因，按照逻辑，蚕可以用纺丝的方式生产其他的“丝”。

家蚕的丝腺和蜘蛛丝腺表现出非常相似的理化环境。为了从蚕中纺出蜘蛛丝，东华大学研究团队采用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，并通过数十万次向受精蚕卵的微量注射，将蜘蛛丝蛋白基因导入蚕的 DNA 中，使其在蚕的腺体中表达。

使用转基因蚕生产蜘蛛丝，如何达到甚至超越天然蜘蛛丝的强度和韧性是一个重要问题。

研究人员首先要找到影响强度和韧性的基本因素。他们找来尼龙和凯夫拉纤维，两者虽然都是聚酰胺纤维，但在韧性和拉伸强度方面表现出显著差异，尼龙具有更高的韧性，而凯夫拉纤维则表现出优异的拉伸强度。

聚合物的机械性能与其分子结构密切相关，主要由氢键等非共价相互作用决定。研究人员通过对比尼龙和凯夫拉纤维的机械性能，提出了一个理论框架，阐明了决定纤维韧性和强度的基本因素。

随后，采用同源建模方法，他们引入了一种新颖的蚕丝的“最小基本结构模型”。该模型适用于解释和预测纤维之间的机械性能差异。此外，它还指导蜘蛛丝蛋白在家蚕丝腺内的“本土化”，使蜘蛛丝蛋白适应蚕丝腺，能够正确纺丝。

最终，研究人员通过转基因蚕获得的全长蜘蛛丝纤维具有高拉伸强度（1299 MPa）和卓越的韧性（319 MJ/m3）。

鉴于蚕丝是目前唯一大规模商业化、饲养技术成熟的动物丝纤维，利用转基因蚕生产的蜘蛛丝纤维有望实现低成本、大规模商业化。

另外，该研究中针对“蜘蛛丝纤维的韧性和强度”的理论为开发超级材料提供了重要的指导。未来，基于该理论，研究人员计划利用天然和工程氨基酸生产蜘蛛丝纤维。研究人员表示，工程氨基酸的引入将为工程蜘蛛丝纤维带来无限的潜力。

利用工程化的贻贝足蛋白制造合成蜘蛛丝

蜘蛛丝很难合成复制，几十年来一直让科学家们着迷。

在 2018 年，华盛顿大学圣路易斯麦凯尔维工程学院的能源、环境和化学工程教授 Fuzhong Zhang 利用细菌改造重组蜘蛛丝，想要在提高这种蜘蛛丝产量的同时保留其高强度和耐用性。

今年 4 月，Fuzhong Zhang 等人在合成蜘蛛丝生产方面取得了新突破。研究人员通过使用工程化的贻贝足蛋白来制造双末端 Mfp 融合丝（btMSilks），将产量提高了 8 倍，并提高了强度和韧性。贻贝足蛋白是一类通过贻贝足腺分泌的蛋白质复合物。相关论文以题“Bi-terminal fusion of intrinsically-disordered mussel foot protein fragments boosts mechanical strength for protein fibers”发表于Nature Communications杂志。

（来源：Nature Communications）

Fuzhong Zhang 表示，天然蜘蛛丝的优异机械性能来自于它庞大而重复的蛋白质序列。然而，让快速生长的细菌产生大量重复性蛋白质是极具挑战性的。

利用合成生物学，研究人员可以剪切和粘贴各种天然蛋白质的序列，然后在实验室中测试这些设计的新特性和新功能。在研究贻贝足蛋白的过程中，Fuzhong Zhang 发现了一个新策略。贻贝足蛋白 5（Mfp5）是贻贝足丝尖端分泌的一种本质上无序的蛋白质，研究人员将 Mfp5 片段的双端融合，发现其显著增强了 β-纳米晶体的排列——这与天然蜘蛛丝优异的机械性能相关，并且末端片段之间的阳离子-π 和 π-π 相互作用促进了分子间相互作用，最终增强低分子量蛋白质材料的强度和韧性。

目前，这种织物用于测试在实际产品中的使用。这项研究获得了美国农业部和国家科学基金会资助。

多年来，科学家们一直在探索天然蜘蛛丝的秘密，包括研究蜘蛛丝样本的冷冻横截面，今年 4 月，南丹麦大学 (SDU) 生物化学和分子生物学系的研究人员首次使用光学显微镜研究了蜘蛛丝的内部结构，而无需以任何方式切割或打开蜘蛛丝。这些研究都让人们距离复制蜘蛛丝又近了一步。

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