浙江
探索生命起源的一个引人入胜的理论——淀粉样蛋白世界假说：认为在地球生命刚开始的时候，一种能抵抗恶劣环境的特殊小蛋白结构（称为淀粉样蛋白纤维）成为了最初能自我复制和进化的分子。这些淀粉样纳米纤维是高度有序的蛋白质组装体，直径约为10纳米。尽管淀粉样蛋白与多种人类疾病有关，例如阿尔茨海默病和帕金森病，但在自然界中也发现了许多具有特定生理功能的非病理性淀粉样纳米纤维。蜘蛛丝就是由这些具有类淀粉样特性的纳米纤维组成的，它是一种以蛋白质为基础的自然材料，以其卓越的机械性能而受到广泛关注。
图a：蜘蛛丝由纳米纤维组成。蜘蛛丝蛋白通过一个非晶核依赖的聚合途径自发且迅速形成类淀粉样纳米纤维。
卡罗林斯卡医学院（斯德哥尔摩，瑞典）的陈格飞和苏州大学的齐兴梅领导的研究小组最近发现，不同于传统淀粉样纳米纤维通过晶核依赖路径形成并显示出强细胞毒性的方式，蜘蛛丝蛋白通过一个非晶核依赖的路径迅速自发形成类淀粉样纳米纤维，没有强细胞毒性，也不能自我催化或交叉催化人类淀粉样肽。这表明蜘蛛丝蛋白的独特氨基酸序列经过进化，赋予了淀粉样的功能性质，同时避免形成有害的中间体( 1)。研究还发现，蜘蛛能通过分子增强剂的结构转换——一种保守的球形间隔区域——来制造坚固的丝纤维。这个特殊区域虽然缺乏多聚丙氨酸基序，但包含与人类淀粉样肽相似的基序，并且能通过非核心依赖途径自我组装成类淀粉样纤维，可能是为了避免产生有毒中间体。将这个间隔区域纳入重组嵌合蜘蛛丝蛋白，有助于丝状纤维的自组装，提高纤维的分子均匀性，并显著增强纤维的机械强度( 2)。这些发现强调了蜘蛛利用多样化策略来生产具有出色机械性能的丝。由于直接从蜘蛛收集丝较为困难，科学家转向利用重组DNA技术在微生物和植物中生产这种蛋白质，然而这样产生的人造纤维机械强度大大低于天然蜘蛛丝，而这个新发现的间隔区域提供了一种提升重组蜘蛛丝状纤维及其他功能材料性能的新方法。
图b：蜘蛛丝蛋白中的间隔域（spacer）会组成成纳米纤维，膜以及丝纤维。有这个间隔域的仿生蛛丝纤维呈现更好的内在分子排列均一性和更高的机械性能。
参考文献
1. X. Qi et al., Spider Silk Protein Forms Amyloid-Like Nanofibrils through a Non-Nucleation-Dependent Polymerization Mechanism. Small19, e2304031 (2023).
2. X. Qi et al., Spiders Use Structural Conversion of Globular Amyloidogenic Domains to Make Strong Silk Fibers. Advanced Functional Materialsn/a, 2315409 (2024).
来源：高分子科学前沿，本文经作者授权独家发布。
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