蜘蛛丝的超能启示：轻质强韧航空材料的未来之路

来自伦敦国王学院和加利福尼亚州圣地亚哥州立大学（SDSU）的研究人员终于解码了使蜘蛛丝比钢铁更强、更坚韧的“分子贴纸”。

理解分子机制对科学和技术非常重要。它为制造与钢铁相媲美的纤维开辟了一条可持续的道路，同时也为理解导致人类大脑疾病的蛋白质结构提供了新的视角。

尤其是，这可能会催生出新的仿生材料，应用于飞机、保护服和医疗领域。

“这项研究从原子层面解释了无序蛋白质是如何组装成高度有序、高性能的结构的，”计算材料科学教授克里斯·洛伦茨在2月5日表示。

分子贴纸机制

蜘蛛的拖丝是它们生存的重要支柱，其惊人强度是通过蜘蛛体内复杂的生物过程形成的。

它始于丝腺，作为“丝液”——一种高度浓缩的液态蛋白——在被挤出成固体、超强的丝线之前，首先凝结成液滴。

虽然科学家们早已观察到这种液态到固态的转变，但将这些液滴转变为高性能最终结构的确切分子机制直到现在仍然是一个谜。

这项研究标志着科学家首次确定了作为分子胶的特定氨基酸——精氨酸和酪氨酸——赋予蜘蛛丝传奇的特性。

为了揭开丝的秘密，一个跨学科团队使用了包括AlphaFold3建模、分子模拟和核磁共振光谱在内的高科技工具。

这项合作研究揭示，氨基酸精氨酸和酪氨酸的特定配对作为化学触发剂，引发了蛋白质的初始聚集，最终形成固体纤维。

这些精氨酸和酪氨酸的相互作用在纤维固化时仍然活跃。它为纳米结构打下了基础，使蜘蛛丝具备无与伦比的机械优势。

关于阿尔茨海默病的见解

有趣的是，蜘蛛编织网的分子技巧与人类神经递质和激素受体中的复杂信号传递过程很相似。

这让蜘蛛丝的‘超能力’成为研究人类身体中复杂生物过程失常的一个优化自然模型。

“让我们感到惊讶的是，丝——我们通常认为是一种美丽而简单的天然纤维——实际上是依靠一种非常复杂的分子机制。我们发现的相同类型的相互作用也用于神经递质受体和激素信号传递，”这项研究的共同领导者、圣地亚哥州立大学的教授格雷戈里·霍兰表示。

这项研究表明，丝蛋白的组织方式反映了蛋白质在阿尔茨海默病等神经退行性疾病中的表现。

在蜘蛛和人类中，蛋白质会从液态转变为致密的结构形式。在蜘蛛中，这形成了世界上最坚韧的纤维。然而，在人类中，这一过程可能导致富含β-折叠的斑块形成，从而干扰大脑功能。

这表明，蜘蛛丝的研究可能为人类健康提供新的见解，特别是在理解生物信号在分子层面上如何运作方面。

“研究丝绸为我们提供了一个干净且经过进化优化的系统，以理解相分离和β-折叠形成的控制机制，”霍兰德 解释道。