业内锐评蜘蛛丝生物制造壁垒，需更关注高价值产品应用

2012 年，维多利亚和阿尔伯特博物馆展出了一件用天然蜘蛛丝制成的斗篷和披肩，这些服装是一个独特项目的成果，该项目历时 8 年，涉及从 120 万只蜘蛛身上采集蜘蛛丝；2019 年，THE NORTH FACE 与Spiber 合作推出世界上第一款利用微生物发酵工艺生产的蛛丝蛋白制成的市售外套 Moon Parka。名字取自单词“moonshot”，意为为了成功带来巨大影响而尝试完成一项极其困难的任务。

蜘蛛丝由多种氨基酸组成，其特有的、重复出现的聚丙氨酸和甘氨酸序列决定了蜘蛛丝纤维的力学性能、弹性和韧性等特性。其所拥有的非凡的材料特性正在使其成为一个有前景的、替代许多石油化工衍生材料的选择。

因此，对蜘蛛丝蛋白异源生产的关注在过去几十年中大大增加，使得重组蜘蛛丝成为生物制造的重要前沿。从而衍生了多种潜在宿主生物、序列设计改造、以及蜘蛛丝生产的下游处理技术和产品应用等。

调整蜘蛛丝的材料特性

大多数昆虫一生只会产生一种丝，但蜘蛛能够产生 7 种主要类型的丝，其可以调整其分泌的丝的类型以满足不同的目的，如结茧、膨胀、捕捉猎物等。蜘蛛经常利用和组合不同类型丝的不同特性，以最大限度地发挥功能。

迄今为止，已发现超过 41,000 种产丝蜘蛛，每种都有独特的丝类型。Nephila clavipes（金圆蛛）和 Araneus diadematus（欧洲花园蜘蛛）的拖丝已成为一种模型材料，在实验室中得到了很好的表征，并引起了人们对工业生产的最大兴趣。

拖丝在蜘蛛的膨胀中发挥作用，即蜘蛛利用丝线在空中飞行并随风移动，从而能够穿越很远的距离。天然拖丝所具有出色的拉伸性能、韧性和弹性。

N. clavipes 中表征最清楚的两种拖丝蛛丝蛋白是 MaSp1 和 MaSp2；A. diadematus 中表征最清楚的拖丝蛛丝蛋白是 ADF-3 和 ADF-4。基于这些进展，重组蜘蛛丝领域的代表性公司已使用 N. clavipes 或 A. diadematus 的序列作为产品设计和开发的基础，他们热衷于模仿蛛丝蛋白的高度重复核心结构域。

根据公开信息，对自 1987 年以来在该领域发布的所有专利进行分析发现，大概包括 2500 项专利。目前，每年约有 200 项专利新增。Spiber、AMSilk 和 Bolt Threads 等公司提交的专利统称 ADF3、ADF4 、MaSp1 和/或 MaSp2，作为蜘蛛丝材料初始设计和测试的起点。例如，AMSilk 已生成至少 20 种独特版本的蜘蛛丝序列，均源自 A. diadematus。

在生物材料领域，非模式蜘蛛物种的重组拖丝也有巨大的未开发潜力，其中许多物种尚未得到系统探索。由于生物制造蛋白质固有的可编程性，未来的任何重组丝纤维在迭代开发周期中可能都会越来越少地具有传统蜘蛛丝序列的特征。许多公司和研究小组已经脱离天然蛛丝蛋白，利用序列优化增强表达、纤维形成和机械性能等。

Spiber 的科学家 Hiroyuki Nakamura 强调了改变蛋白质序列以调整所得纤维的材料特性的能力：“ Spiber 的许多早期工作都集中在解决超收缩问题上，这是天然蜘蛛丝的一种特性。尽管这些最初的蜘蛛丝序列是我们研究的核心，但我们目前的 Brewed Protein 产品已经升级改造，以实现更好的机械性能。”该公司在 2024 年 4 月份完成了 6500 万美元融资。

京都大学教授、理化学研究所团队负责人 Keiji Numata 总结了蜘蛛丝蛋白序列如何决定其性能（尤其是韧性）的重要性。“我们需要专注于提高蜘蛛丝的韧性。为了做到这一点，需要了解这种材料的层次结构和机械性能之间的关系。这需要我们了解决定其层次结构的多个层次：氨基酸序列如何影响蛋白质组成，而蛋白质组成又如何影响自组装过程。”

迄今为止，重组拖丝蛛丝蛋白已在细菌、酵母、真核细胞系、植物、昆虫、哺乳动物和其他几个新兴平台中生产出来。目前，大肠杆菌和毕赤酵母在重组蜘蛛丝和更广泛的工业生物制造领域占据主导地位，但人们对优化蛛丝蛋白生产的持续兴趣增强了苜蓿植物、蚕和转基因哺乳动物等替代宿主的潜力。

SpideyTek 董事长兼首席执行官 Roberto Velozzi 就高度认可苜蓿平台：“大规模发酵不是蜘蛛丝生产的未来，苜蓿植物才是。苜蓿植物产量极高，具有强大的遗传工具，能够持续生产原生大小的蜘蛛丝。由于农业基础设施完善，并且能够将苜蓿废料作为动物饲料颗粒转售给农民和其他买家，净生产成本降至零。”

另外，基于微生物（比如大肠杆菌、酵母菌等）进行工业发酵合成生产方式受到发酵蛋白大小的限制，通常 100 kDa 以下的蛋白质相对容易生产，大于 100 kDa 的蛋白质在产量和产率方面会明显下降。天然蛛丝蛋白大小通常在 300-700 kDa 之间，借助微生物发酵难以实现全长大小。灵蛛科技的联合创始人、CTO 王博祥曾在接受生辉的采访中表示。

蜘蛛丝纤维的设计、所需的规模和产量以及特定的下游应用最终可能会引导研究人员和公司在未来采用更适合的宿主平台。

产研合作，共同推动领域发展

每年，都有新的初创公司入局大规模生产蜘蛛丝。他们还与一些消费品牌建立合作伙伴关系，例如 Spiber 与 The North Face、Archer Daniels Midland、丰田合作；AMSilk 与 Airbus、梅赛德斯奔驰和阿迪达斯达成合作；Bolt Threads 与开云集团、Lululemon、阿迪达斯、Stella McCartney 达成合作。

一项针对蜘蛛丝公司、学术实验室和鼓励开发可持续材料的地方政策的全球调查发现，推动该领域创新的主要是北美、欧洲和日本。

学术界和产业界之间的联系尤其重要。AMSilk 由慕尼黑大学生物材料学教授 Thomas Schiebel 博士共同创立，他致力于重组蜘蛛丝的研究；Bolt Threads 也是三名研究生跨学科合作的成果，他们因对生物材料的共同兴趣而相识；Spidey Tek 由 Roberto Velozzi 和蜘蛛丝研究领域的世界专家 Randolph Lewis 教授共同创立。

公司也可以与学术实验室合作，资助其内部的研究项目，将优化生产流程所需的一些高风险基础科学外包出去。例如，Spiber 与京都大学关系密切。

除了学术界和产业界之间的密切联系外，各国政府也正在可持续生物材料领域建立繁荣的生态系统。如欧盟提出可持续和循环纺织品战略（2023 年），该战略指出“到 2030 年，投放到欧盟市场的纺织品将经久耐用且可回收利用，在很大程度上由再生纤维制成，不含有害物质，并在尊重社会权利和环境的情况下生产”。

自 2000 年代中期以来，有很多公司完成了融资，大多数公司目前处于 C 轮或 D 轮融资（IPO 前）阶段，少数公司已经上市。

Kraig Biocraft 于 2008 年上市，即成立两年后，股价一直保持相对平稳，除了 2019 年的显著飙升，这可能是由于该公司的越南子公司 Prodigy Textiles 饲养了第一批生产蚕；生物基成分生产商 Bolt Threads 于近期成功完成与特殊目的收购公司 Golden Arrow Merger Corp 的合并，并于 2024 年 8 月 14 日开始在纳斯达克交易。

2021 年以前，流入该领域的资金逐年上涨，并在 2021 年达到峰值，2022 年资金的急剧下降与当年的市场普遍低迷和风险投资减少有关。Material Innovation Initiative 的首席战略官 Sydney Gladman 同时也是生物材料领域的资深人士，在她看来，“趋势是时尚行业运作的方式，这就是为什么对可持续性产品（如蜘蛛丝）的兴趣可能会呈周期性出现。然而，材料的其他潜在特性有助于重新引起业内的关注。无论经济状况如何，品牌仍然在争夺下一代材料，资金可能会减少，但需求不会减少。”

市场环境的惨淡也导致一些公司放弃蜘蛛丝的研究和生产，Bolt Threads 目前更多是关注化妆品领域的材料开发；3DBiofibr 由于生产成本过高与市场需求不平衡放弃蜘蛛丝纤维，并利用其在纤维材料方面的经验转向新市场，例如用于组织工程的胶原纤维；Seevix 等公司将精力转向生产较短的蜘蛛丝，这些蜘蛛丝可用作添加剂或与其他材料合并成复合材料或嵌合体。

鉴于蜘蛛丝生产处于早期阶段且具有风险，蜘蛛丝公司大多由私人风险投资公司资助。Bolt Threads 联合创始人 Ethan Mirsky 博士表示：“重组蜘蛛丝纤维的生产是一个非常困难的问题。我不知道是否有任何神奇的解决方案！要回答的问题是：你能否以足够低的价格生产出足够多的产量，并且性能足够好，以保证你的材料能够生产，关键在于有效且经济地将你的技术转化为经济上可行的产品。”

瞄准高价值产品

对于一些研究人员来说，克服毒性是提高产量的主要基石，伦斯勒理工学院的 Mattheos Koffas 教授博士也持这种观点。“我们的工作已经表明，蜘蛛丝蛋白表达的增加会导致对细胞的毒性作用增强，主要是因为蛋白质的无序性质。为了扩大蜘蛛丝产量并达到具有竞争力的产量，我们必须了解并减轻这种细胞毒性的来源。在这个阶段，毒性可能是阻碍适当扩大规模的首要问题。”

成本是蜘蛛丝研究目前遇到的壁垒之一。蜘蛛丝的生产过程分为五个主要步骤：发酵、收获、净化、干燥和纺丝，总生产成本约为每公斤数百美元。

目前，很多实验室和公司为了降低生产成本，开始精简和优化生产流程，如通过外源标记蛋白质便于回收，或通过实时分泌系统简化收获过程，从而完全绕过此步骤，使纯化步骤变得更加容易；其他公司已从葡萄糖转向甘油，甘油更便宜、更容易获得，并已显示出增加干细胞重量和提高产量的前景。

此外，扩大生产也需要大量资金。由于大型发酵设施需要 3 亿美元左右的投资，许多公司最初选择将其大规模生产委托给 CMO 和 CDMO。一个名为 Capacitor 的全球微生物发酵数据库表明，超过一半准备扩大规模的公司需要容量超过 20,000 升的生物反应器，但现有设施中只有 23% 可以满足这一要求。大型生物反应器设施的供需严重不匹配预计也会导致生产成本居高不下。

因此，有业内专家认为可以通过增加发酵基础设施或改造现有的发酵基础设施，如啤酒厂、酿酒厂或乙醇厂实现反应器设施的供需平衡。

鉴于蚕丝和蜘蛛丝之间有许多相似之处，蜘蛛丝最明显的应用市场之一是纺织品。然而，仅靠“绿色溢价”可能并不能让蜘蛛丝在市场上始终具备竞争力。

为寻求出路，企业可以调整其业务目标，选择进入高价值市场，例如医疗器械中使用的材料，要求更高的标准用于生物相容性、抗菌性能和生物降解性，往往比用于纺织品的纤维具有更高的价格范围；美妆行业也充满机遇，如涂层硅胶带有蜘蛛丝的乳房植入物可以提高生物相容性；此外，由于蜘蛛丝的高韧性和低密度，制造可用于国防、航空航天和汽车相关的产品。如 Kraig Biocraft 与美国国防部合作正在研究防弹材料的生产；Spiber 与丰田以及 SpideyTek 与 Velozzi合作，已经承诺在接下来的几年内推出一些试点产品。

Spiber 商业开发主管 Shinya Murata 就指出，汽车行业将成为 Spiber 未来的关键业务方向。“蜘蛛丝的贡献包括座椅的皮革内饰和汽车结构部件的复合材料，我们目前正在研究如何在复合材料中加入蜘蛛丝以大大改善其机械性能，预计首批产品将很快发布。”

很明显，蜘蛛丝的市场潜力仍然巨大，其潜在市场规模为 500 亿美元，但目前大部分尚未开发。随着技术的迭代、成本的下降，蜘蛛丝生物制造的商业化和市场有望迎来全新阶段。

1.Guessous G, Blake L, Bui A, Woo Y, Manzanarez G. Disentangling the Web: An Interdisciplinary Review on the Potential and Feasibility of Spider Silk Bioproduction. ACS Biomater Sci Eng. 2024 Sep 9;10(9):5412-5438.

免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。