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中國科學家讓蠶“吐”蛛絲，堅韌程度是防彈衣凱夫拉材料的6倍

文章來源：賢集網更新時間：2023-09-25 15:23:50

尼龍等商業合成纖維的生產通常以化石燃料為原料，在生產過程中會向環境中排放溫室氣體以及有害的微塑料。在機械性能方面，有理論表明工程材料的拉伸強度和韌性特性是相互排斥的，即兩者不可兼得，因此目前商業合成纖維往往只能在這兩種性能之間進行折中。

蜘蛛絲被視為一種極具吸引力的合成纖維可持續替代品，它具有復雜的特性組合，強度高、重量輕且超柔韌，是一種急需開發的戰略資源。

然而，“人造蜘蛛絲”想要完美復制“天然蜘蛛絲”存在諸多難點。

第一，蜘蛛絲的機械性能由其蛋白質四級結構決定，而蛋白質四級結構又受到初級蛋白質結構和紡絲過程的影響。然而，人們一直未完全探明其中機制，因此無法復制天然蜘蛛絲紡絲所需的物理化學環境；第二，天然蜘蛛絲存在成分為糖蛋白和脂質的表面層，能夠幫助其承受濕度和陽光照射，被喻為抗衰老“皮膚層”，而人造蜘蛛絲難以復制這一保護層。

基于這些因素，目前可用的大多數合成蜘蛛絲纖維與其天然對應物相比在一個或多個方面表現出較差的機械性能。

中國科學家讓蠶“吐”蛛絲

中國科學家成功利用轉基因蠶合成了蜘蛛絲，其生產的纖維比防彈背心中使用的凱夫拉纖維堅韌六倍。這也是首個用蠶生產全長蜘蛛絲蛋白的研究。相關研究成果發表在《物質》（Matter）雜志上。

之前開發的人造蜘蛛絲紡絲工藝難以在絲上涂上保護層以承受濕度和陽光照射所帶來的損害，而轉基因蠶提供了解決方案。轉基因蠶生產的蜘蛛絲纖維具有極高的機械性能，可用作手術縫合線。此外，蜘蛛絲纖維還可用于制造更舒適的服裝、創新型的防彈背心，并在智能材料、軍事、航空航天技術和生物醫學工程方面有應用前景。

轉基因蠶生產蜘蛛絲，兼具高強度和高韌性

科學家認為蛛絲是合成纖維的有前景的可持續替代品。合成纖維會向環境中釋放有害的微塑料，它們通常由產生溫室氣體排放的化石燃料生產。之前開發的人造蛛絲工藝需要在蛛絲表面涂上一層糖蛋白和脂質，類似于蜘蛛在網上涂上的一層抗衰老的“皮膚層”，來幫助它抵抗潮濕和光照。

轉基因蠶為這個問題提供了一個解決方案，蠶也會在自己的纖維上包裹一層類似的保護層。蠶絲是目前唯一一種大規模商業化的動物絲纖維，已擁有完善的飼養技術，這使得使用轉基因蠶生產蜘蛛絲纖維可以實現低成本、大規模的商業化。

為了讓蠶“吐出”蛛絲，研究人員將蛛絲蛋白基因引入蠶的DNA中，利用基因編輯技術CRISPR-Cas9和數十萬次微量注射到受精卵中的方法，在蠶的腺體中表達蛛絲蛋白。在這項研究中，顯微注射是最重大的挑戰之一。

論文第一作者、東華大學生物科學與醫學工程學院博士生米俊鵬仍記得，當他看到基因編輯成功的標志——蠶的眼睛在熒光顯微鏡下發出紅光時，欣喜若狂。“我手舞足蹈跑到孟清教授的辦公室分享這個結果。那個晚上，我興奮地睡不著覺。”米俊鵬回憶。

研究還需要對轉基因蛛絲蛋白進行定位修飾，使其能夠與蠶腺體中的蛋白質正常相互作用，確保纖維能夠正常紡出。為此，該團隊開發了蠶絲的最小基本結構模型。“我們在研究中引入的定位概念，并提出最小結構模型，這些代表了與以往研究的重大差異。我們相信大規模商業化即將到來。”米俊鵬說。

他表示，新研究中生產的蛛絲纖維具有極高的機械性能，具有重要的應用前景。例如，它們可用作外科縫合線，滿足全球每年超過3億次手術的需求。蜘蛛絲纖維還可用于制造更舒適的服裝和新型防彈背心，并在智能材料、軍事、航空航天技術和生物醫學工程中得到應用。

研究結果顯示，這些由蠶“吐出”的蜘蛛絲蛋白纖維表現出了驚人的抗拉強度和驚人的韌性。其韌性達319兆焦耳每立方米，比美國杜邦公司研發的可用于制作防彈衣的凱夫拉材料高6倍。

高強度碳纖維的抗拉強度可達3000兆帕以上，這種新型蜘蛛絲蛋白纖維的抗拉強度為1299兆帕，雖然在抗拉強度方面，蜘蛛絲蛋白纖維目前還比不上碳纖維，但通過改進，其抗拉強度或許也能夠達到或者超過碳纖維。

轉基因蠶吐出的蛛絲蛋白纖維。圖片來自：米俊鵬

轉基因蠶吐出的蛛絲蛋白纖維。圖片來自：米俊鵬

家蠶的絲腺。圖片來自：米俊鵬

下一步，研究人員計劃利用對當前研究中蜘蛛絲纖維的韌性和強度的理解，開發可以產生天然和工程氨基酸蛛絲纖維的轉基因蠶。“一百多種工程氨基酸的引入能為工程蛛絲纖維提供無限潛力。”米俊鵬說。

碳纖維是一種脆性材料，而這種新研發的蜘蛛絲蛋白纖維，不僅韌性極強，抗拉強度也較高，也難怪研究人員聲稱這種新材料或許能將太空電梯變為現實。

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來源：賢集網
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