最新Natue子刊：首次揭示蚕丝与蜘蛛丝的超微结构差异，为设计高性能人造丝提供新思路

丝绸作为一种拥有数千年历史的天然材料，因其出色的力学性能和生物相容性，在现代生物医学、柔性电子器件等领域展现出巨大潜力。然而，尽管蚕丝和蜘蛛丝以其媲美高性能钢缆的强度和韧性而闻名，其内部的蛋白质是如何组装成如此卓越的宏观材料的，这一直是科学界悬而未决的难题。传统的电子显微镜研究方法往往需要对样品进行化学固定和染色，这会破坏蛋白质的原始结构，导致对丝纤维基本构成单元的认知长期存在争议。面对这一挑战，来自中国科学院生物物理研究所的科研团队，利用先进的冷冻电子断层扫描技术，首次在近天然状态下，以前所未有的分辨率揭示了蚕丝、蜘蛛丝以及人造丝内部的三维超微结构。

中国科学院生物物理研究所朱平研究员、李岩教授合作，通过对蚕丝、蜘蛛丝及人造丝的深入比较，揭示了它们之间决定性能的关键结构差异。研究发现，无论是蚕丝还是蜘蛛丝，其最基础的构成单元都是直径约为3.6纳米的“珠串状”纳米纤维，这一尺寸是迄今为止在丝纤维中观察到的最小结构单元。在蚕丝中，这些纳米纤维并非简单平行排列，而是形成了独特的“人字形”层状堆叠结构，且纤维之间存在大小不一的间隙。相比之下，蜘蛛丝中的纳米纤维排列得更为紧密，几乎完美地沿纤维轴平行排列，几乎看不到任何空隙。而用人造丝素蛋白溶液纺出的人造丝，其内部纳米纤维则缺乏这种高度有序的排列，结构松散，这直接解释了为何天然丝的性能远超人造丝的现状。相关论文以“Cryo-ET comparison of the hierarchical ultrastructure of silkworm, spider, and artificial silk fibers”为题，发表在

Nature Communications

通过对蚕丝腺体中提取的天然丝素蛋白进行观察，研究团队首次在体外证实了丝素蛋白本身呈现为一种高度柔性的纳米纤维结构，直径约为4.0±0.6纳米，长度为32.7±16.4纳米（图1a-c）。进一步的亚断层图平均结果显示，这些纳米纤维呈现出独特的“珠串”形态（图1d）。结合AlphaFold 3的结构预测分析（图1e），研究人员推测，这些“珠子”并非单个丝素蛋白分子，而是由丝素蛋白分子内部的不同结构域折叠而成，颠覆了以往认为丝蛋白是球形胶束或棒状聚集体的传统观点。

图1 | 天然丝素蛋白是直径约4纳米的“珠串状”纳米纤维。 a. 从中部丝腺后部提取的天然丝素蛋白的断层图切片。黄色箭头指示一根典型的纳米纤维（上），下方展示不同弯曲度的纳米纤维（黄线勾勒出弯曲轨迹）。 b. 与(a)同一区域的断层图分割图。 c. 纳米纤维直径和长度的测量数据。 d. 平均后的天然丝素蛋白纳米纤维的纵向三维结构。 e. 利用AlphaFold 3预测的丝素蛋白重链（Δ2303-2621）的三维结构。

为了探究在纤维形成过程中丝素蛋白的结构是否发生变化，研究人员利用冷冻聚焦离子束技术将蚕丝切制成仅百纳米厚的薄片，并在冷冻电镜下进行了三维重构。结果显示，在丝纤维内部，丝素蛋白依然保持着直径约3.6±0.8纳米的纳米纤维形态（图2g-h），这与在腺体中观察到的结构基本一致。这些纳米纤维总体上平行于纤维轴排列，但分布并不均匀，存在紧密堆积和松散区域（图2a-b）。有趣的是，在紧密排列的区域，相邻的纳米纤维之间通过大量的“桥接”结构相互连接（图2c-f），这些桥梁可能是纤维受力时传递载荷、增强韧性的关键结构。

图2 | 蚕丝中丝素蛋白的总体结构保持不变。 a. 蚕丝中丝素蛋白和丝胶蛋白在XY和YZ视图下的形态与排列的断层切片。紫色框：平行排列的丝素纳米纤维；红色框：非平行排列的丝素纳米纤维；蓝色框：松散排列的丝素纳米纤维；绿色框：紧密堆积的丝素纳米纤维。 b. 与(a)同一区域的丝素纳米纤维三维模型。紫色：丝素纳米纤维；黄色：未知生物大分子。 c-d. 展示丝素纳米纤维间典型交叉桥接结构的断层切片。 e-f. 与(c-d)同一区域的三维分割图，展示了丝素纳米纤维（绿色、黄色、紫色）之间的桥接结构（蓝色、银灰色）。 g. 作为丝纤维基本构建模块的平均丝素纳米纤维的三维结构。 h. 纳米纤维直径和长度的测量数据。

为了探究蜘蛛丝拥有更强力学性能的结构基础，研究人员对野生大腹园蛛的蛛丝进行了同样的分析。实验结果表明，从蜘蛛大壶状腺中提取的蛛丝蛋白同样呈现为“珠串状”的纳米纤维（图3a-c），但其分子量低于蚕丝丝素蛋白（图3d）。更关键的区别在于，在形成的蜘蛛丝纤维内部，这些纳米纤维排列得极为紧密，高度平行，几乎不存在任何可见的间隙（图3e-f），这种致密的结构是其强度超越蚕丝的直接原因。相比之下，利用界面牵伸法制备的人造蚕丝，尽管原料也是同样的天然丝素蛋白，但其内部纳米纤维的取向杂乱无章，相分布极不均匀（图3g-h），这凸显了纺丝过程中微环境对最终结构形成的决定性作用。

图3 | 蜘蛛丝中紧密堆积的蛛丝蛋白纳米纤维。 a. 在中国四川野外捕获的大腹园蛛。 b. 蜘蛛丝腺；箭头指示大壶状腺。 c. 从蜘蛛大壶状腺中提取的蛛丝蛋白的金属投影图像，表明蛛丝蛋白是纳米纤维。 d. 蚕丝丝素蛋白与蜘蛛大壶状腺蛛丝蛋白的4-16%梯度SDS-PAGE分析。所有实验独立重复三次，结果相似。 e. 蜘蛛丝中紧密堆积的蛛丝蛋白纳米纤维的低倍投影图像。 f. (e)中方框区域放大后的蛛丝蛋白纳米纤维断层切片。插图显示丝蛋白纳米纤维的排列方式。 g. 人造丝中松散堆积的丝素纳米纤维的低倍投影图像。 h. (g)中方框区域放大后的丝素纳米纤维断层切片。插图显示可能的丝蛋白纳米纤维排列方式。

在成功解析基本结构单元后，研究团队进一步探究了蚕丝内部更高层级的组织方式。通过引入深度学习算法REST来提升断层图的信噪比和分辨率，研究人员在蚕丝的横截面（XZ视图）上清晰地观察到了大量规则排列的点状结构（图4a-b）。通过三维追踪证实，每一个点都代表一根垂直于观察面、沿纤维轴向延伸的纳米纤维。这些纳米纤维在空间上层层堆叠，最终构成了一个贯穿纤维整体的“人字形”三维网络结构（图4c-d），这与家蚕前部丝腺近吐丝口处观察到的预排列模式（图4e）完全吻合，证明这种高度有序的“人字形”结构在纺丝过程中被稳定地保留在了最终的纤维中。

图4 | 丝素纳米纤维在蚕丝中形成各向异性的“人字形”图案。 a. 蚕丝中丝素蛋白在XY和YZ视图下的断层切片。 b. 与(a)同一区域，使用REST方法处理后的断层切片，该方法显著去除了噪声并提高了丝素纳米纤维的信噪比，特别是在XZ视图中，沿z轴的点状结构变得清晰可见。 c. 与(b)同一厚片中的丝素纳米纤维组织三维模型，显示出类似人字形的图案。 d. (c)中三维模型的倾斜视图。 e. 在前部丝腺靠近吐丝口的末端区域，天然丝素蛋白自组装成人字形图案。 f. 基于冷冻电子断层扫描的人字形图案三维模型，显示纳米纤维沿z轴平行排列。

综上所述，这项研究利用冷冻电子断层扫描技术，首次在纳米尺度上系统描绘了蚕丝、蜘蛛丝和人造丝的“全景”三维结构图。研究表明，丝纤维的基本构成单元是直径约3.6纳米的纳米纤维，这些纤维通过“人字形”方式堆叠形成宏观纤维（图5a）。蜘蛛丝因其纳米纤维排列极致紧密而性能卓越，而人造丝则因缺乏这种有序排列而性能不佳（图5b）。这项研究不仅为理解动物丝的纺丝机制提供了关键的结构证据，也为未来设计、制造性能可定制的高性能仿生纤维材料提供了全新的分子评价标准和设计蓝图。未来，结合AlphaFold等蛋白质结构预测工具和基因编辑技术，或许能真正实现根据需求设计并制造出超越天然性能的“梦幻纤维”。

图5 | 蚕丝、蜘蛛丝和人造丝的结构、组成与组织方式对比。 a. 丝的基本结构单元是直径约3.6纳米的纳米纤维。丝素蛋白是一种纤维状蛋白而非球状蛋白，而丝胶蛋白不呈现纤维特征。丝内部的这些纳米纤维呈各向异性排列，形成人字形图案，而不仅仅是简单地平行堆叠。多层的这种“人字形”排列沿同一方向排列，最终形成微米级的丝纤维。 b. 蚕丝、蜘蛛丝和人造丝的比较研究。在蜘蛛丝中，可以清晰地观察到由纳米纤维构成的致密结构，其长轴紧密地平行于流动方向排列，没有留下任何可见的间隙。相比之下，蚕丝在纳米纤维之间表现出更大的、区域变化的间隙，而人造丝则缺乏天然丝特有的高度有序排列。比例尺，20纳米。