蜘蛛絲是自然界中最堅(jiān)固最堅(jiān)韌的材料之一，它和一些鋼合金一樣堅(jiān)固，韌性甚至比防彈凱夫拉爾還要大。蜘蛛絲無(wú)與倫比的強(qiáng)度和韌性組合使這種基于蛋白質(zhì)的材料成為許多應(yīng)用的理想選擇，從超薄手術(shù)縫合線到防彈服。不幸的是，由于蜘蛛的領(lǐng)土性和食人性，它們的絲無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)，因此實(shí)際應(yīng)用尚未實(shí)現(xiàn)。
科學(xué)家們已經(jīng)能夠生產(chǎn)某種形式的合成蜘蛛絲，但他們無(wú)法設(shè)計(jì)出包含大多數(shù)(如果不是全部)天然絲特征的材料。
到目前為止。
圣路易斯華盛頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)出了能夠產(chǎn)生生物合成蜘蛛絲的細(xì)菌，在所有重要指標(biāo)上，它們的表現(xiàn)都與天然同類相當(dāng)。他們發(fā)現(xiàn)了一些令人興奮的未來(lái)可能性。
這項(xiàng)發(fā)表在8月20日星期一的《生物大分子》雜志上的新研究表明，蜘蛛絲的拉伸強(qiáng)度和韌性與其分子量呈正相關(guān)——分子越大，絲越強(qiáng)——即使在合成絲中也是如此，幾乎是之前記錄保持者的兩倍。
“人們已經(jīng)知道這種相關(guān)性，但只知道較小的蛋白質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)，即使有這么大的尺寸，仍然有很好的相關(guān)性，”工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的副教授張付中說(shuō)。
創(chuàng)造生物合成蜘蛛絲最大的歷史挑戰(zhàn)之一是創(chuàng)造足夠大的蛋白質(zhì)。挑戰(zhàn)如此之大，事實(shí)上，它需要一種全新的方法。
“我們從別人做過(guò)的事情開(kāi)始，做一個(gè)重復(fù)基因的序列，”張實(shí)驗(yàn)的博士生克里斯托弗鮑文說(shuō)。模擬蜘蛛序列中負(fù)責(zé)產(chǎn)生絲蛋白的DNA序列。理論上，序列重復(fù)的次數(shù)越多，蛋白質(zhì)就越大。
然而，在DNA序列達(dá)到一定大小后，“細(xì)菌無(wú)法處理它，它們會(huì)把序列切成小塊，”Bowen說(shuō)。這個(gè)問(wèn)題在之前的努力中遇到過(guò)很多次。為了解決這個(gè)由來(lái)已久的障礙，Bowen和他的合作者在蠶絲DNA中加入了一個(gè)短基因序列，促進(jìn)了獲得的蛋白質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，并將它們?nèi)诤显谝黄鹦纬闪艘粋€(gè)更大的蛋白質(zhì)，這個(gè)蛋白質(zhì)比以前更大了，也比以前純化了。
“我們制造的蛋白質(zhì)基本上是以前任何人能做的兩倍，”鮑恩說(shuō)。它們的絲蛋白鏈為556 kDa。此前，最大的生物合成蜘蛛絲蛋白為285 kDa。即使是天然拉絲蛋白也往往在370 kDa左右，雖然也有一些較大的異常值。
鮑恩和他的合作者隨后將他們的超大生物合成絲蛋白紡成了一種纖維，直徑約為人類頭發(fā)的十分之一，并測(cè)試了它的機(jī)械性能。這種合成絲是第一種復(fù)制天然蜘蛛絲的方法：拉伸強(qiáng)度(斷裂纖維所需的最大應(yīng)力)、韌性(斷裂前纖維吸收的總能量)和其他機(jī)械參數(shù)，如彈性模量和延展性。
展望未來(lái)，張實(shí)驗(yàn)室正致力于定位生物合成蠶絲纖維，以替代工業(yè)上使用的無(wú)數(shù)石油基合成纖維。
“我們將繼續(xù)通過(guò)簡(jiǎn)化操作、減少所需化學(xué)品數(shù)量、提高穩(wěn)定性和效率，使該過(guò)程更具可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性，”張說(shuō)。
張集團(tuán)還計(jì)劃進(jìn)一步探索新方法的局限性。除了生產(chǎn)出第一種完全復(fù)制天然蜘蛛絲特性的合成絲纖維之外，他們的工作有力地表明，如果能夠生產(chǎn)出更大的蛋白質(zhì)，這些纖維的強(qiáng)度和韌性將繼續(xù)增加。
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