转基因蚕吐出的蜘蛛丝比凯夫拉纤维坚韧 6 倍

有一天，我在露营车里半睡半醒时，一头扎进蜘蛛网里。

撇开尖叫不谈，我内心的逻辑部分惊叹于一只令人毛骨悚然的爬虫在短短几个小时内就编织了如此复杂的——而且令人惊讶的弹性和弹性——网。

蜘蛛丝是一种自然奇观。 它很坚韧，可以抵抗损坏，但也非常灵活。 这种丝绸质轻、坚固且可生物降解，可用于从手术缝合线到防弹背心的任何用途。

我们为什么不生产更多这些丝绸供人类消费呢？ 蜘蛛是可怕的生物制造机器。 抛开令人毛骨悚然的因素不谈，它们非常好斗——把几百个放在一起，很快你就会只剩下少数胜利者和很少的产品。

然而，多亏了基因工程，我们现在可能有办法在蜘蛛丝的制造过程中完全跳过蜘蛛。

In 一项研究 上周，中国东华大学的一个团队利用 CRISPR 创造了可以产生蜘蛛丝的基因工程蚕。 由此产生的线比凯夫拉纤维（一种用于防弹背心的合成成分）更坚韧。 与合成材料相比，这种蜘蛛丝是一种更可生物降解的替代品，可以轻松规模化生产。

犹他州立大学的贾斯汀·琼斯博士没有参与这项研究，他对这种新编织方式表示认可。 由此产生的材料是“一种真正的高性能纤维”，他 说过 至 科学.

与此同时，对于作者来说，他们的策略并不局限于蜘蛛丝。 该研究揭示了构建具有卓越强度和柔韧性的丝绸材料的几个生物物理原理。

进一步的实验可能会产生超出当前能力的下一代纺织品。

蠕虫、节肢动物和历史

大自然为尖端材料提供了丰富的灵感。

以尼龙搭扣为例，它是一种钩环材料，可以用来悬挂浴室毛巾或固定孩子的鞋子。 无处不在的材料是 最初由瑞士工程师 George de Mestral 在 1940 世纪 XNUMX 年代提出 远足后试图清除裤子上的毛刺时。 在显微镜下进一步观察发现毛刺具有锋利的钩子，可以钩住织物中的环。 德·梅斯特拉尔 (De Mestral) 将徒步旅行的烦恼变成了当今所有五金店都可以买到的钩环织物。

一个不太刺眼的例子是丝绸。 最早由中国古代栽培 大约 5,000 年前，丝绸是由蠕动的圆形蚕纺成的，并使用原始织机纺成织物。 这些精致的丝绸传遍东亚和西方，帮助建立了传奇的丝绸之路。

然而，任何拥有丝绸服装或床单的人都知道，这些材料非常脆弱，很容易撕裂和分解。

我们在蚕丝方面面临的挑战是大多数材料所面临的挑战。

其中一个问题是强度：随着时间的推移，材料可以承受多少拉伸。 想象一下洗完一件稍微缩水的毛衣会怎样。 纤维的强度越低，服装保持其形状的可能性就越小。 另一个问题是韧性。 简而言之，就是材料在分解之前可以吸收多少能量。 只要用力一拉，旧毛衣就很容易出现破洞。 另一方面，凯夫拉纤维是一种防弹材料，确实可以挡住子弹。

该团队表示，不幸的是，这两种特性在当今的工程材料中是相互排斥的。

然而，大自然有一个解决方案：蜘蛛丝既坚固又坚韧。 问题在于如何让节肢动物在安全有效的环境中产丝。 这些动物是恶毒的掠食者。 圈养百蚕，可安然依偎； 将一百只蜘蛛扔在一起，就会引发一场血战，其中只有一两只活着。

蜘蛛虫子宫

如果我们能够将蚕和蜘蛛的优点结合起来会怎么样？

科学家有 早就想 设计一个“遇见可爱”在基因工程的帮助下确定了这两个物种的日期。 不，这不是跨物种浪漫喜剧。 主要思想是通过基因赋予蚕产生蜘蛛丝的能力。

但编码蜘蛛丝蛋白的基因很大。 这使得它们很难在不压倒自然细胞并导致它们失败的情况下插入其他生物的遗传密码。

在这里，研究小组首先使用计算方法来寻找丝绸的最小结构。 由此产生的模型绘制了蚕和蜘蛛之间丝蛋白的差异。 幸运的是，这两个物种都用相似的蛋白质结构纺成纤维（称为聚酰胺纤维），尽管每种纤维都基于不同的蛋白质成分。

另一件幸运的是共享的解剖结构。 研究小组表示，“家蚕的丝腺和蜘蛛丝腺表现出非常相似的”物理和化学环境。

利用该模型，他们确定了一种增强丝强度和韧性的关键成分——一种相对较小的丝蛋白 MiSp，存在于 腹蜘蛛 来自东亚的蜘蛛。

然后，利用基因编辑工具 CRISPR-Cas9，该团队将编码 MiSp 的基因添加到蚕体内，本质上是重新调整它们以纺出蜘蛛丝。 实现这一目标是一场技术噩梦，需要 几十万 将显微注射注入受精蚕卵以编辑其吐丝腺。 作为一项健全性检查，研究小组还添加了一个基因，使蚕的眼睛发出令人难以忘怀的红色，这标志着成功。

研究作者 米俊鹏“跳着舞，几乎是跑到”主要作者孟庆博士的办公室。 “我清楚地记得那天晚上，因为兴奋让我彻夜难眠，”米说。

由此产生的蠕虫蜘蛛丝的硬度大约是凯夫拉纤维的六倍，但仍然柔韧。 琼斯说，这令人惊讶，因为使用 MiSp 的纤维并不总是有弹性。 作为奖励，蚕还自然地喷洒一种保护涂层来强化纤维。 这使他们有可能 更耐用 比以前人工制造的蜘蛛丝。

该团队正在进一步探索他们的计算模型，以设计用于医用缝合线的生物相容性丝。 除此之外，他们希望变得更有创意。 合成生物学家长期以来一直希望开发人造氨基酸（构成蛋白质的分子片段）。 如果我们在可生物降解的织物中添加合成氨基酸会发生什么？

“一百多种工程氨基酸的引入为工程蜘蛛丝纤维带来了无限的潜力，”米说。

图片来源：米俊鹏，东华大学生物科学与医学工程学院，中国上海

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• Sumber: https://singularityhub.com/2023/09/26/transgenic-silkworms-spin-spider-silk-6x-tougher-than-kevlar/