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两年前美国军方搞了一个大资讯：她们要用蜘蛛丝来制作防弹衣[1]。是的，你无听错，用手轻轻一挥就断的蜘蛛丝要用来做防弹衣了。实质上，思虑到蜘蛛丝的粗细（10微米上下），其力学性能并不弱，乃至能够说是自然界中最强韧的丝线了。正如郑可博士所说（请查看本公众号上期原创科普文：Spider Silks—能力越大，责任越大），蜘蛛丝又被叫作为“生物钢”，倘若把蜘蛛丝做成铅笔粗细则能够拉住一架速度为80 m/s的波音747。其力学韧性比制作防弹衣的凯芙拉（Kevlar）纤维要好得多，因此理论上用蜘蛛丝制防弹衣这个想法完全可行。
问题是去哪里收集这么海量的蜘蛛丝呢？最为简单的办法是将蜘蛛像蚕同样驯养，再收集蜘蛛丝。But，蜘蛛可不是温顺的蚕宝宝，它们是自然界中出了名的独行侠，并且同种类间还会自相残食！！！——如“臭名昭著”的黑寡妇（寇蛛属Latrodectus, 图一）。该属蜘蛛间存在性食同类现象，雌性会在交配后吃掉雄性（爱好你，就把你吃掉!），“黑寡妇”亦因此呢得名。因此即使是“权倾朝野”的拿破仑亦只能得到一只小小的蜘蛛丝手套，而由蛛丝纺制的真品如今亦只能在博物馆中见到（图二）。
图1、自然界中的独行侠—蜘蛛！上图，“臭名昭著”的黑寡妇蜘蛛。是一种具剧烈神经毒素的蜘蛛，人若被咬，可能会产生剧烈的肌肉病痛。尽管其毒素的毒性很强，但注射剂量很小，因此呢黑寡妇蜘蛛咬人引起死亡的案例非常少，对儿童和体弱者威胁较大。
下图，蜘蛛的自相残食。
https://www.schendelpest.com/blog/post/what-to-do-if-you-see-a-black-widow-spider
 
图2、英国维多利亚和阿尔伯特博物馆展出的金园蛛丝长袍。Golden Orb spider silk robe Victoria and Albert Museum London England UK by Artist Simon Peers and designer Nicholas Godley
一样是吐丝，瞧瞧人家隔壁“蚕宝宝”们，无论是从个体习性、饲养要求，还是从吐丝的数量上来看，都完爆蜘蛛。况且，早在5000数年前，黄帝元妃—嫘祖就创立了栽桑养蚕之法，抽丝编绢之术。这个咱们熟啊！于是，专家们发挥奇思妙想——是不是能让蚕吐“蜘蛛丝”？
20世纪90年代，专家们就起始想办法让蚕吐蜘蛛丝。1999年日本专家报告经过基于杆状病毒的基因打靶方式，对桑蚕进行稳定的基因改造后，成功表达了含绿色荧光蛋白（GFP）序列的丝蛋白[3]。2000年10月，我国专家亦宣布实现了将绿色荧光蛋白与蜘蛛大壶状腺体丝融合基因插进桑蚕丝蛋白基因中，并得到含有蜘蛛丝蛋白片段且带荧光的转基因桑蚕丝[4]。随后，各国专家采用区别的转基因策略得到了嵌合了绿色荧光蛋白-蛛丝蛋白-桑蚕丝蛋白的蚕茧（图三），为蚕丝应用开辟了一个新窗口。值得骄傲的是，2003年，我国专家独立绘制完成“家蚕全基因组框架图”。之后，西南大学、深圳华大基因科研院与其它国内外科研公司通力合作，完成为了40个蚕类基因组重测序和高精度遗传变异图谱构建[5]。按照这些基因信息，专家们不仅把握了蚕的过去，更能够掌控蚕的将来[6]，让蚕吐“蜘蛛丝”，自然亦不是痴人说梦了。
图3、发荧光的转基因蚕丝服饰。
左图为白炽灯照射，右图为紫外灯照射。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201300365
然则，蜘蛛丝（尤其是主腺体丝）最令人着迷的当然还是它无与伦比的综合力学性能（即前述的力学韧性）。正因如此，美国陆军与Kraig Biocraft实验室合作，利用家蚕在饲养和生产上的优良，借助基因工程来海量生产蜘蛛丝[1]。这里资讯报告中，作者说到用这种丝编制的衣物强度高，能够起到防弹的功效。相比起Kevlar防弹衣，更确切的说，Kevlar防弹背心，这种蜘蛛丝能够编制成全身防弹衣，并将更具有弹性，更加贴身轻薄。遗憾的是，迄今为止咱们还无见到实质测试结果，与之最接近的实验测试则来自于荷兰艺术家贾莉拉•埃萨迪Jalila Essaidi。她创作了名为“2.6g 329m/s”的蜘蛛丝人工皮肤项目[7]。该项目将蜘蛛丝与人体皮肤相结合制备了能防弹的再生皮肤，如下动图所展示，子弹没能击穿这种神奇的“皮肤”，但仍让其产生了非常大的形变。总而言之，蜘蛛丝防弹还存在许多尚未处理的问题。
蜘蛛丝人工皮肤
So，更接地气的“蚕吐蜘蛛丝”展示出此刻时尚行业。2007年日本专家报告了将蜘蛛大壶状腺体丝对应的基因转入蚕中，得到的转基因蚕吐出的丝含有约10%的蜘蛛丝成份，有望于制得一种结实且更有韧性的“蜘蛛丝”短袜。2014年，日本科研人员将蚕丝蛋白重链蛋白起步子和蜘蛛牵引丝蛋白基因进行重组，生产出的转基因蚕丝比普通蚕丝的韧性提高了50%。更有意思的是，她们把这种转基因蚕丝织成丝线，制作成为了背心和围巾[8]。针对蚕的转基因工程而言，这无疑是非常成功的。但这种转基因蚕吐出的丝线中蜘蛛丝成份含量还是较低，蚕吐“蜘蛛丝”的梦想还并未完全实现，同志们仍需奋斗。
图4、转基因蚕丝丝线，制成背心和围巾
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0105325
图5、利用基因组编辑家蚕海量表达蜘蛛丝
https://www.pnas.org/content/115/35/8757
2018年，中科院植生生态所谭安江科研员与复旦大学邵正中课题组合作，利用基因组编辑的办法，使得蜘蛛丝蛋白含量在纯合个体的茧中达到35.2%，更加重要的是，得到的这种转基因蜘蛛丝相针对普通桑蚕丝在延展性上有明显的加强（图五）[9]。然而，不管是Kraig Biocraft实验室生产出的“龙丝”，还是利用基因组编辑办法生产出的转基因蜘蛛丝，力学性能虽然相较于蚕丝都有所提高，但仍然赶不上天然的蜘蛛丝。因此，想要依靠蚕吐“蜘蛛丝”海量生产力学性能良好的蜘蛛丝，仍然需要研究工作者们进一步深入地科研。不外咱们相信，总有一天，人造蜘蛛丝将会被广泛运用在各个行业。由于，让蚕吐“蜘蛛丝”，专家们是认真的！！！
参考文献:
[1] https://www.kraiglabs.com/spider-silk/
[2] K. Zheng, S. Ling. De Novo Design of Recombinant Spider Silk Proteins for Material Applications.Biotechnol. J. 2019,14, 1700753.
[3] M. Yamao, N. Katayama, H. Nakazawa, M. Yamakawa, Y. Hayashi, S. Hara, K. Kamei, H. Mori, Genes & development 1999, 13, 511.
[4]http://news.eastday.com/epublish/gb/paper10/20001031/class001000014/hwz231207.htm
[5] Q. Xia, et al., Science 2009, 326, 433.
[6] 邵正中，蚕丝、蜘蛛丝及其丝蛋白，
2015，化学工业出版社。
[7] http://www.arte-util.org/projects/2-6g-329ms/
[8] Y. Kuwana, et al,High-Toughness Silk Produced by a Transgenic Silkworm Expressing Spider (Araneus ventricosus) Dragline Silk Protein.Plos One, 2014,0105325.
[9] https://www.pnas.org/content/115/35/8757
特邀作者简介
胡琳莉，硕士科研生，现就读于复旦大学邵正中-陈新课题组，重点从事动物丝蛋白等关联行业科研。
作者：胡琳莉
校正：Shengjie，郑可
编辑：Dr. Nv
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发表于 2024-8-25 14:16:11
