比钢铁更强，比凯夫拉更韧 - 蜘蛛丝的秘密终于被揭开了

蜘蛛不仅会织网，它们还会设计网。 通过在纺丝时拉伸丝，蜘蛛在分子水平上强化了纤维，使蛋白质排列整齐，形成额外的键，从而提高了耐久性。科学家们现在已经利用计算模拟和实验室实验破解了这个秘密，为生物工程蚕丝的应用铺平了道路，从医疗缝合线到超强防弹衣，这些应用将改变游戏规则。

工程蜘蛛丝纤维的扫描电子显微镜图像。 为了验证他们的计算结果，西北大学的研究小组使用光谱学技术研究了蛋白质链在工程蜘蛛丝的真实纤维中是如何拉伸和排列的。 资料来源：华盛顿大学圣路易斯分校

蜘蛛织网时，会用后腿将丝从喷丝孔中拉出。 这种拉丝动作不仅能释放丝，还能加强纤维，使蜘蛛网更加耐用。

来自西北大学（Northwestern University）的一项新研究揭示了为什么拉伸起着如此关键的作用。 研究人员利用计算机模拟发现，当蜘蛛丝拉伸时，其蛋白质链会排列整齐，更多的分子键会在它们之间形成。 这些变化使纤维的强度和韧性大大提高。

为了证实这些发现，研究小组利用工程蜘蛛丝进行了实验室实验。 他们的研究成果可以帮助科学家们开发出先进的蚕丝启发材料，从可生物降解的手术缝合线到超坚韧的防弹衣，用途广泛。

该研究的资深作者、西北大学的锡南-凯腾（Sinan Keten）说："研究人员已经知道，这种拉伸或拉丝是制造真正强韧的纤维所必需的。但没有人知道为什么。 有了我们的计算方法，我们就能探究纳米尺度上发生了什么，从而获得实验所无法看到的洞察力。 我们可以研究拉丝与丝的机械性能之间的关系。"

蜘蛛用后腿小心翼翼地从喷丝孔中抽丝，在织网时控制张力。 这种拉伸过程有助于丝的蛋白质排列整齐，使纤维更结实、更有韧性。

该研究的第一作者、西北大学的雅各布-格雷厄姆（Jacob Graham）说："蜘蛛是自然完成拉丝过程的。当蜘蛛从丝腺中纺丝时，它们会用后腿抓住纤维并将其拉出。 在纤维形成的过程中，它会拉伸纤维。 这使得纤维非常结实，弹性也非常好。 我们发现，只需改变拉伸量，就能改变纤维的机械特性。"

作为生物启发材料方面的专家，Keten 是西北大学麦考密克工程学院的杰罗姆-B-科恩工程学教授、机械工程学教授兼副系主任以及土木与环境工程学教授。 Graham 是 Keten 研究小组的博士生。

长期以来，研究人员一直对蜘蛛丝感兴趣，因为它具有非凡的特性。 它比钢铁更结实，比凯夫拉尔纤维更坚韧，像橡胶一样有弹性。 但是，养殖蜘蛛以获取天然丝既昂贵又耗费能源，而且十分困难。 因此，科学家们希望在实验室中重新制造类似丝绸的材料。

"蜘蛛丝是最结实的有机纤维，"格雷厄姆说。"它还具有可生物降解的优点。 因此，它是一种理想的医疗应用材料。 它可用于手术缝合和伤口闭合的粘合凝胶，因为它可以在体内自然、无害地降解。"

该研究的共同作者、圣路易斯华盛顿大学弗朗西斯-F-阿曼与张福忠教授几年来一直在利用微生物工程技术生产蛛丝材料。 通过挤压工程蛛丝蛋白，然后用手拉伸，该研究小组开发出了类似于金丝球织蜘蛛丝的人造纤维，金丝球织蜘蛛是一种大型蜘蛛，织出的网非常结实。

尽管开发出了蜘蛛丝的"配方"，但研究人员仍不完全了解纺丝过程是如何改变纤维结构和强度的。 为了解决这个悬而未决的问题，研究人员建立了一个计算模型来模拟人造丝的分子动力学。

通过这些模拟，西北大学团队探索了拉伸如何影响蛋白质在纤维中的排列。 具体来说，他们研究了拉伸如何改变蛋白质的排列顺序、蛋白质之间的连接以及纤维内分子的运动。

分子魔术：拉伸如何使蛋白质排列整齐

研究发现，拉伸会使蛋白质"排列整齐"，从而提高纤维的整体强度，拉伸还增加了氢键的数量，氢键就像组成纤维的蛋白质链之间的桥梁。 研究人员发现，氢键的增加有助于提高纤维的整体强度、韧性和弹性。

"一旦纤维被挤出，它的机械性能实际上是相当弱的，"格雷厄姆说。"但当它被拉伸到初始长度的六倍时，就会变得非常坚固。"

为了验证他们的计算结果，研究小组使用光谱学技术研究了华盛顿大学研究小组的真实纤维中蛋白质链的拉伸和排列情况。 他们还使用拉伸测试来观察纤维在断裂前能承受多大的拉伸。 实验结果与模拟预测一致。

"如果不拉伸材料，就会出现这些球状的蛋白质球，"格雷厄姆说。"但拉伸会使这些球状蛋白质变成一个相互连接的网络。 蛋白质链相互叠加，网络变得越来越相互连接。 捆绑在一起的蛋白质有更大的潜力在纤维断裂前解开并进一步延伸，但最初延伸的蛋白质使得纤维的延伸性较差，需要更大的力量才能断裂。"

虽然格雷厄姆过去一直认为蜘蛛只是令人毛骨悚然的动物，但现在他看到了蜘蛛帮助解决实际问题的潜力。 他指出，工程蜘蛛丝提供了一种更坚固、可生物降解的替代品，可以替代其他合成材料（主要是石油衍生塑料）。

格拉汉姆说："我对蜘蛛有了全新的认识。我以前认为它们是讨厌鬼。 现在，我认为它们是迷人的源泉。"

编译自/ScitechDaily