惊！这把“剪刀”让蜘蛛吐出了红色的荧光蛛丝......

蜘蛛能吐出红色荧光蛛丝，这事儿你敢信吗？

图源：pinterest 改制

最近，德国的科学家利用“基因剪刀”CRISPR-Cas9技术，让蜘蛛吐出了红色荧光蛛丝！这波操作可不只是为了好看，还能刷新你对“超级材料”的认知！

能吐红色荧光蛛丝的转基因蜘蛛 (温室希蛛) | 图源：德国拜罗伊特大学

科学家为啥盯上蜘蛛丝来“动刀子”呢？因为它——实在太强了！

自然界的“生物钢丝”，

能有多强？

别看挂在墙角的蜘蛛丝比头发丝还细、一扫就断，其实它是材料界低调的“王者”。

细细的蜘蛛丝被放置在人类头发上 | 图源：medium

如果把蛛丝纺成和其他常见材料一样粗细，那它在强度、韧性和弹性这三大性能上几乎可以吊打一众材料。

蛛丝的单位重量抗拉强度大约是 1.4 GPa，跟高级合金钢（0.45-2 GPa）差不多，虽然比不上凯夫拉纤维（3 GPa，能用来做防弹衣的那种），但它有着钢铁和凯夫拉纤维都无法媲美的韧性和弹性。

蛛网能承托远超自身重量的水滴 | 图源：pinterest

数据显示：蜘蛛丝的断裂能（断裂需要的能量）高达160 MJ/m³，是凯夫拉纤维（约50 MJ/m³）的三倍以上！不仅能拉伸到原长的 1.4 倍 不断裂，遇水还能自动恢复到原来的长度。

难怪蛛网能把高速飞行的小虫子拦截——因为它就像一张“生物弹簧床”。

图源：jamesriverpestsolutions

蛛丝可以被自然降解，具有对人体友好的生物相容性。众多的优点，让科学家们盯上了它，想通过基因编辑把它打造成未来的超级纤维，用在纺织、医用和军用等多个领域。

基因剪刀如何

在蛛丝DNA中动刀？

德国科学家团队使用的 CRISPR-Cas9 技术，堪称纳米级别的“分子手术刀”，如今已经成为分子细胞生物学中应用最广泛的基因编辑工具之一。

它能在蜘蛛的DNA里精准“动刀”，通过改造特定基因，赋予蛛丝人类想要的新特性。

要让这把“剪刀”精准命中目标，得靠另一位“队友”——引导 RNA 来指路。在这套系统中，引导RNA就像一支“勘探小分队”，能精准识别目标基因的位置。

制作一条与红色DNA序列互补的引导RNA（蓝色部分），引导RNA可以让Cas9与其结合 | 图源：pansci

Cas9 蛋白相当于“爆破队”，能在定位处精准切割靶标基因。

Cas9和引导RNA进入细胞，引导RNA找到互补的DNA序列，由Cas9剪开 | 图源：pansci

而细胞自带的同源重组机制就像是“施工队”，会把被插入的新基因修补进缺口，从而完成整个基因编辑过程。

在断口处，贴上正确的基因 | 图源：pansci

研究团队利用CRISPR-Cas9技术成功将水母绿色荧光蛋白（GFP）或珊瑚红色荧光蛋白（DsRed）基因精准嵌入到了大腹园蛛拖丝蛋白基因2（MaSp2）中的特定序列处，培育出世界首批表达红色荧光蛛丝蛋白的转基因蜘蛛，这也是人类首次成功将 CRISPR-Cas9 基因编辑工具应用于蜘蛛。

“基因剪刀”不仅让蜘蛛吐出彩色丝，还赋予蛛丝更多“超能力”，有望在材料、医疗和军工等领域引发革命。

基因改造除了变色

还赋予蛛丝哪些可能性？

医疗领域

利用蛛丝良好的生物相容性，经改造的蛛丝可以作为手术缝合线使用，不仅高强度 （承重是传统羊肠线的5倍） 、可降解，还具备抗菌特性，能降低术后感染率。 加入对湿度敏感的蛋白，还能遇水自动收缩，变身“智能缝合线” 。

图源：Allexxandar/Shutterstock.com

也可作为神经再生导管引导神经细胞定向生长（已有动物实验成功修复3厘米的神经缺损）。如果再增加“导电性能”，还能传递电刺激，促进神经元修复。

材料领域

利用蛛丝可降解的特点，可以将蛛丝制备成海洋友好型渔网，不仅强度超越尼龙网，还能在被遗弃后6个月内完全降解。 加上荧光标记后，这种渔网还能实现精准追踪，方便回收 。

废弃渔网常常成为海洋生物的“死亡陷阱” | 图源：蓝湾生态环境公益服务中心

凭借蛛丝“弹性好”和“遇水恢复形状”的特点，还可以制成机械弹簧和智能形状记忆元件。比如，通过编辑弹性蛋白序列，就能造出拉一下能弹回原状的超弹“生物橡皮筋”（回弹率超过95%）。

军工领域

蛛丝比钢强、比羽轻，非常适合做超轻隐形防弹衣。同等防护级别下，重量比凯夫拉防弹衣减轻40%。通过插入蚕丝蛋白模块，还能让蛛丝强度提升40%。

一件由马达加斯加金球蛛丝制成的披风，在伦敦维多利亚和阿尔伯特特博物馆展出 | 图源：sofrep

从实验室走向现实，

蛛丝的未来还有多远？

蜘蛛丝虽然集各种优点于一身，产量却让人头疼。

蜘蛛不像蚕那么好管理（可以密集化养殖，乖乖吐丝），它们是出了名的“独居动物”，具有极强的领地意识。一旦聚集密度太高，就容易“内卷”——不是打架就是吃掉同伴，因此无法通过规模化养殖获取蛛丝。

雄蜘蛛为避免被吃，将一只情敌裹起来送给雌蛛 | 图源： Conall McCaughey

尽管蛛丝研究前景广阔，但要实现量产，还需突破量产瓶颈、结构难以复刻、伦理规范等问题。

目前科研团队正尝试组合基因剪辑和合成生物学技术——将编辑后的蛛丝基因转入光合细菌，利用太阳能规模化生产，同时探索3D生物打印复杂丝蛋白结构。

期待科技的进一步发展，让蛛丝在材料、工业、军事等领域大放异彩。

参考文献：

[1]Dou Y, Wang ZP, He W, Jia T, Liu Z, Sun P, Wen K, Gao E, Zhou X, Hu X, Li J, Fang S, Qian D, Liu Z. Artificial spider silk from ion-doped and twisted core-sheath hydrogel fibres. Nat Commun. 2019 Nov 22;10(1):5293. doi: 10.1038/s41467-019-13257-4. PMID: 31757964; PMCID: PMC6874677.

[2] Li J, Li S, Huang J, Khan AQ, An B, Zhou X, Liu Z, Zhu M. Spider Silk-Inspired Artificial Fibers. Adv Sci (Weinh). 2022 Feb;9(5):e2103965. doi: 10.1002/advs.202103965. Epub 2021 Dec 19. PMID: 34927397; PMCID: PMC8844500.

[3] Johansson J, Rising A. Doing What Spiders Cannot-A Road Map to Supreme Artificial Silk Fibers. ACS Nano. 2021 Feb 23;15(2):1952-1959. doi: 10.1021/acsnano.0c08933. Epub 2021 Jan 20. PMID: 33470789; PMCID: PMC7905870.

[4] Rising A, Johansson J. Toward spinning artificial spider silk. Nature Chemical Biology, 2015, 11: 309–315.

[5] Liu S, Cui Z, Liu Z, Zhao W, Zhou X. Research progress on spider-inspired tough fibers. Chinese Journal of Chemistry. 2023, 3401.

[6] Edgardo Santiago‐Rivera et al, Spider Eye Development Editing and Silk Fiber Engineering Using CRISPR‐Cas, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202502068

来源：上海自然博物馆

编辑：4925

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号