| 發(fā)布日期：2014-09-10 08:58:13 來源：綜合報道 分享到： |
蜘蛛絲不僅強度好，而且質(zhì)地輕，富有彈性。它的這些優(yōu)異性能雖然早已被人類所熟悉，但卻遲遲得不到應(yīng)用。這是為什么呢？因為蜘蛛有聚地為王的個性，養(yǎng)在一塊兒它們就會自相殘殺。所以想得到大量的蜘蛛絲可不是那么容易的。就這么放棄了嗎？科學(xué)家不會就這樣輕易服輸，他們想起了蠶。
采訪："蜘蛛絲因為是一種性能非常好的一種材料，但是大量生產(chǎn)有困難。我們希望利用這個蠶能夠合成蜘蛛絲并且吐出絲來。如果做到了這一點，我們就那拿到了一種高強度的纖維，可以派很多特殊的用途，例如做防彈衣、降落傘等等。"
蠶也是"紡織高手"，而且兩種生物的絲氨基酸組成十分接近。何不讓家蠶來吐蜘蛛絲呢？
早先的研究已經(jīng)掌握了蜘蛛拖牽絲的基因，現(xiàn)在通過人工的方法合成出蜘蛛拖牽絲基因，再把它轉(zhuǎn)入到蠶卵的基因組中去。這樣孵出的小蠶就可能帶有蜘蛛絲的基因了。為了保證蠶能正常吐絲，蠶合成絲、吐絲的基因部分還保留，只是把與絲強度有關(guān)的部分基因替換掉了。
新出生的蠶寶寶對這一切毫無知覺，只是貪婪地啃著桑葉。桑葉在它們的身軀內(nèi)轉(zhuǎn)化成絲蛋白貯存起來。蠶寶寶們一天天長大，成熟，走上了前輩們"作繭自縛"的老路。
由于轉(zhuǎn)基因的成功率很低，只有1~3%，為了更容易的把這些"幸運兒"挑出來，科學(xué)家預(yù)先作下了標(biāo)記。他們將綠色熒光蛋白基因作為篩選標(biāo)記與拖牽絲基因一塊兒轉(zhuǎn)入到蠶體內(nèi)。這樣轉(zhuǎn)入拖牽絲基因的蠶吐的絲就帶有綠色熒光了。這些在紫外燈下發(fā)熒光的就是轉(zhuǎn)基因蠶繭。
同人類和其他動物一樣，蠶的染色體也是成對的。為了保證蜘蛛拖牽絲基因在家蠶的后代基因中扎根落戶，穩(wěn)定遺傳，必須使一對染色體中的每一條染色體的基因都被替換。因此還有大量的育種、篩選工作要做。
最終轉(zhuǎn)基因蠶吐出來的絲將象蜘蛛絲一樣強韌�？茖W(xué)家把它叫蠶蜘蛛絲。經(jīng)過幾十億年歲月的磨礪，自然界中的生物具有許多令人折服的高超技藝。轉(zhuǎn)基因技術(shù)將使人類能夠更好的利用大自然幾十億年進化的成就。
新華網(wǎng)2010年7月27日電 韓國高等科學(xué)技術(shù)院27日說，韓國科學(xué)家已成功人工合成蜘蛛絲蛋白質(zhì)，進而合成出質(zhì)量輕、拉力強、韌性好的人造纖維，這種纖維未來可廣泛運用于醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。
這項研究由韓國高等科學(xué)技術(shù)院生物新陳代謝工程學(xué)教授李相葉（音譯）率隊展開。李相葉說，研究人員使用一種全新的“系統(tǒng)新陳代謝工程”流程合成出這種蜘蛛絲蛋白質(zhì)，由這種蛋白質(zhì)合成的纖維拉力可與高強鋼筋相媲美。
這一研究成果已刊登在最新一期美國《國家科學(xué)院學(xué)報》月刊上。
“對這種纖維的測試結(jié)果顯示，它與凱夫拉纖維的強度相當(dāng)，”刊登在《國家科學(xué)院學(xué)報》的學(xué)術(shù)報告說。
凱夫拉纖維是美國杜邦公司半個世紀(jì)前研制出的一種人造復(fù)合纖維材料，具有密度低、強度高、韌性好、耐高溫、易加工等特點，現(xiàn)階段廣泛運用于防彈衣、降落傘制造。
韓國科學(xué)家說，新型復(fù)合材料不僅具有凱夫拉纖維的特點，而且還可以加工制造成外科手術(shù)縫合材料、人造韌帶等醫(yī)用材料。
韓國聯(lián)合通訊社說，先前科學(xué)家也曾試圖人工合成蜘蛛絲纖維，但蜘蛛絲纖維蛋白質(zhì)中的高濃度氨基乙酸一直是合成難點。韓國高等科學(xué)技術(shù)院在過去兩年中攻克這一難題。
2005年3月，俄羅斯遺傳科研所國家科學(xué)中心和應(yīng)用微生物國家科學(xué)中心運用生物技術(shù)成功地合成了蜘蛛絲蛋白。該科研項目得到了國際科學(xué)技術(shù)中心的資助。
蜘蛛絲作為功能性結(jié)構(gòu)材料，其獨特的纖維成型方法與優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和性能早已引起了科學(xué)家的關(guān)注。在所有已知纖維品種中，蜘蛛絲是具有特異功能的天然纖維材料，它的斷裂能是最高的。蜘蛛絲是由多種蛋白質(zhì)構(gòu)成的，但科學(xué)上最關(guān)注的是蜘蛛的骨架絲蛋白質(zhì)。因為由這樣的蛋白質(zhì)構(gòu)成的纖維的強度比鋼的強度高好幾倍，同時又具有良好的彈性。
蜘蛛的骨架絲蛋白質(zhì)由蜘蛛絲蛋白（Spidroin）Ⅰ和蜘蛛絲蛋白Ⅱ構(gòu)成。但蜘蛛絲蛋白Ⅰ和蜘蛛絲蛋白Ⅱ在性能上又有很大差別：蜘蛛絲蛋白Ⅰ的強度更高，蜘蛛絲蛋白Ⅱ的彈性更好，兩者結(jié)合起來構(gòu)成的纖維具有獨特性能，可用在軍事、航空航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也可作為人工筋健、人工韌帶、人工器官、組織修復(fù)、傷口處理、用于眼外科和神經(jīng)外科和手術(shù)的特細和超特細生物可降解外科手術(shù)縫合線等。但因蜘蛛絲結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，目前實驗中還無法用化學(xué)的方法合成，過去人們只能在相應(yīng)的基因基礎(chǔ)上合成出蜘蛛絲蛋白。
俄科研人員人工合成蜘蛛絲蛋白經(jīng)歷了兩個階段。第一階段，研究人員主要合成蜘蛛絲蛋白Ⅰ。因為至今對蜘蛛絲蛋白Ⅰ的結(jié)構(gòu)還沒有全部破解，科研人員只能用已知的蛋白質(zhì)片段來合成。在實驗中，科研人員使用了獨特的清洗和分離方法，用釀酒酵母作酵母，但是這樣獲得的纖維既不具備很高的強度，也沒有彈性。第二階段是合成蜘蛛絲蛋白Ⅱ。盡管蜘蛛蛋白Ⅱ的結(jié)構(gòu)已經(jīng)知道，但卻非常復(fù)雜，科研人員分析了分子中氨基酸的連續(xù)性后發(fā)現(xiàn)，可以先合成蛋白質(zhì)———單元體，最終再合成類似的蜘蛛絲蛋白Ⅱ基因。
據(jù)悉，俄科研人員合成蜘蛛絲蛋白Ⅱ的整個過程目前還沒有完全結(jié)束，但科研人員利用已合成的一些蛋白質(zhì)片段，獲得了既具有一定強度，又有彈性的類蜘蛛纖維。它的大小只有幾個微米，卻可以承重50毫克至100毫克的重量。有關(guān)專家指出，雖然上述合成的類蜘蛛絲纖維的強度只有真正蜘蛛絲強度的1/4，但已經(jīng)是取得了非常好的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：蜘蛛絲；轉(zhuǎn)基因技術(shù)；性能；應(yīng)用
蜘蛛絲是大自然幾億年進化中創(chuàng)造的奇跡，具有很高的強度、彈性、柔韌性、伸長度和抗斷裂功能，以及輕盈、耐紫外線、生物可降解等優(yōu)點，是包括蠶絲在內(nèi)的天然纖維和合成纖維所無法比擬的。蜘蛛絲以其優(yōu)良的性能吸引著世界各國科學(xué)家的興趣和關(guān)注，近年來美國、瑞士、加拿大、日本、德國、丹麥等國先后對蜘蛛絲進行了深入的研究，利用基因和蛋白質(zhì)測定技術(shù)解開了蜘蛛絲奧妙，在蜘蛛絲人工生產(chǎn)方面取得了突破性進展。
隨著基因工程技術(shù)以及生物材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，不久的將來，蜘蛛絲將會象蠶絲那樣大規(guī)模地開發(fā)和利用，在科技、國防、工業(yè)等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。
1 蜘蛛絲的性能
蜘蛛絲物理密度1．34 g／cm，與蠶絲和羊毛相近。蜘蛛絲光滑閃亮、耐紫外線性能強，而且較耐高溫和低溫。熱分析表明，蜘蛛絲在200℃以下表現(xiàn)熱穩(wěn)定性，300℃以上才黃變。而蠶絲在110℃以下表現(xiàn)熱穩(wěn)定性，140℃就開始變黃。蜘蛛絲具有特殊的溶解特性，它所顯示的橙黃色遇堿加深遇酸褪色，它不溶于稀酸、稀堿，僅溶于濃硫酸、溴化鉀、甲酸等，并且抗大部分水解蛋白酶。蜘蛛絲在水中有相當(dāng)大的溶脹性，縱向有明顯的收縮。在加熱時，能微溶于乙醇中。由于蜘蛛絲的構(gòu)造材料幾乎完全是蛋白質(zhì)，所以它是生物可溶的，并可以生物降解和回收。
蜘蛛絲是自然界產(chǎn)生的最好的結(jié)構(gòu)材料之一，蜘蛛絲的優(yōu)良綜合性能是各種天然纖維與合成纖維所無法比擬的，迄今為止人類還無法生產(chǎn)出象它那樣具有超強度和彈性極強的化合物。其比模量優(yōu)于鋼而韌性優(yōu)于Kevlar纖維作為優(yōu)異的能量吸收纖維，它被認(rèn)為是用作降落傘、防彈衣的理想材料。蜘蛛絲尤其是它的牽引絲在力學(xué)性能上具有蠶絲及一般的合成纖維所無法比擬的突出優(yōu)勢。在強度方面，它與制作防彈衣的Kevlar纖維相似，但其斷裂功卻是Kevlar的1．5倍，其牢度是鋼的1倍，初始模量比尼龍大得多，達到Kevlar纖維的高強高模水平。蜘蛛絲的斷裂伸長率達36％～50％，而Kelvar纖維只有2％～5 9／6，因而具有吸收巨大能量的性能。在粘彈性能方面，蜘蛛絲高于尼龍及Kevlar纖維。蜘蛛絲的重量比化學(xué)合成絲輕25 9／6，彈性卻可延伸到原來的10倍。蜘蛛絲的另一重要特性是它的耐低溫性能。據(jù)報導(dǎo)，蜘蛛絲在一40℃時仍有彈性，只有在更低的溫度下才變硬，在需要低溫使用的場合，這種纖維的優(yōu)點特別顯著。因此，蜘蛛絲具有高強度、彈性好、初始模量大、斷裂功高等特性，是一種十分優(yōu)異的材料。
2 蜘蛛絲的人工生產(chǎn)
蜘蛛絲具有十分優(yōu)良的性能，因此先得到這種蛋白質(zhì)或類似的蛋白質(zhì)，再進行紡絲，制備人造蜘蛛絲，都是材料科學(xué)家長久以來的夢想。
2．1 微生物植物吐絲
此法是將蜘蛛絲基因轉(zhuǎn)移到細菌、酵母或植物上，通過細菌發(fā)酵的方法來獲得蜘蛛絲蛋白質(zhì)，再把這種蛋白質(zhì)從微孔中擠出，就可得到極細的絲線。這種細菌的繁殖工廠一旦成功建立，將對紡織服裝業(yè)產(chǎn)生革命性變革。然而由于種種原因，這種方法迄今沒有成功，主要因為制成的蛋白質(zhì)水溶性很小，只能溶于甲酸，并需加入六氟異丙醇為稀釋劑，不能用水作溶劑進一步加工。
2．2 牛羊乳蜘蛛絲
加拿大Nexia生物技術(shù)公司(NXB)試驗了另一種方法，他們將蜘蛛絲基因注入山羊卵細胞中，制備了重組的蜘蛛絲蛋白質(zhì)，并用這種蛋白質(zhì)與水體系完成了環(huán)境友好紡絲過程，由于本質(zhì)上更接近于天然蜘蛛絲蛋白質(zhì)的組成和紡絲過程，從而成功模仿了蜘蛛，于2002年1月生產(chǎn)出世界上首例“人工蜘蛛絲”。
Nexia公司與美國陸軍戰(zhàn)士生物化學(xué)指揮部(SBCCOM)的科學(xué)家合作，采用金色圓網(wǎng)蜘蛛和十字圓蛛，作為基因的來源對哺乳動物的兩種細胞進行了轉(zhuǎn)基因處理。將蜘蛛絲基因注入山羊卵細胞中，這種轉(zhuǎn)基因山羊羊乳中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性能都完全仿真于蜘蛛絲蛋白質(zhì)。重組蜘蛛絲蛋白質(zhì)的純度最高可達70％～90％，紡絲水溶液的質(zhì)量濃度為2．8 9／6～28％(質(zhì)量／體積)，所紡纖維直徑為8～40 gm。紡絲采用的是一臺特制的微紡絲機，是由Harvard Apparatus公司生產(chǎn)的樣機，紡絲液溶劑的體積是0．5 ml，內(nèi)徑僅5 mm。紡絲頭用PEEK的HPLC管(Sigma—Aldrich產(chǎn)品)代用，長度6 cm，內(nèi)徑0．125mm，紡絲液由一臺微型往復(fù)泵驅(qū)動，這臺微紡絲機最少采用25μl紡絲液就可以工作，泵的流速為2～10μl／min，凝固浴組成為70％～80％的甲醇水溶液，初生絲第一次拉伸直接在凝固浴中進行，如有需要可在水浴中進行第二次拉伸，拉伸后在空氣中干燥。
第一代的BioSteel直徑比天然蜘蛛絲大1～2個數(shù)量級，據(jù)報道電紡蜘蛛絲可以達到真正的蜘蛛絲的細度。而天然蜘蛛絲具有皮芯層結(jié)構(gòu)，目前看來很難模仿。BioSteel生產(chǎn)與蜘蛛紡絲過程最大的差別還在于后者是液晶紡絲，在蜘蛛的絲腺中，可區(qū)分出長度不同的蛋白質(zhì)，其分子質(zhì)量分別為120、150、190、250 ku和750 ku，濃度高達30％～50％，具有酸性，且成為液晶態(tài)的溶液。液晶的特征是粘度很低，只需很小的力即可發(fā)生形變，而成為絲狀，這也正是蜘蛛絲器的精巧之關(guān)鍵�？磥�，人類還需經(jīng)過較大的努力，才能真正模仿蜘蛛，實現(xiàn)大規(guī)模的綠色高性能纖維生產(chǎn)。
Nexia公司科學(xué)家研究初期所用的哺乳動物細胞取自乳牛，但是現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)，采用山羊進行轉(zhuǎn)基因處理更為有利。山羊有70000個基因，他們用轉(zhuǎn)基因工程的方法使山羊攜帶了一個蜘蛛絲的基因。2002年1月，Nexia正式宣布，有兩頭這樣的“BioSteel山羊”誕生，并被分別命名為webster和Peter。Nexia專利技術(shù)的基礎(chǔ)是蜘蛛絲的絲腺與山羊乳腺的細胞在解剖上有某種相似性，因而在差異極大的兩種動物中的柱狀上皮細胞都可以大量制造水溶性的復(fù)雜的蛋白質(zhì)大分子。原則上可以用乳牛實現(xiàn)。Nexia的技術(shù)，但是山羊生長更快、更容易。至2002年6月，Nexia和美國軍方合作，已經(jīng)繁殖出150頭轉(zhuǎn)基因山羊，飼養(yǎng)在紐約州P1attsbtlrgh的一個前空軍基地，并正加速發(fā)展。對牛乳和羊乳采用環(huán)境友好的加工，可以生產(chǎn)出極高性能的纖維，這在10年前均認(rèn)為只是一種幻想，今天，人造蜘蛛絲已經(jīng)問世，成為當(dāng)代材料科學(xué)的一大奇跡。
美國、中國等國家分別采用奶牛、倉鼠作為表達體也進行了此方面的研究。
2．3 蠶吐蜘蛛絲
此法利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)中“電穿孔”的方法，將蜘蛛牽引絲部分的基因注入只有半粒芝麻大的蠶卵中，使培育出來的家蠶分泌出含有牽引絲蛋白的蜘蛛絲。上海生化研究所的科技人員用此法歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)解決了轉(zhuǎn)基因蠶基因?qū)搿⒒钚曰蜩b定及傳代育種等一系列技術(shù)難題，此研究被列為國家“863”計劃重點項目，目前正在進行。
3 蜘蛛絲的應(yīng)用
蜘蛛絲因其特殊而優(yōu)良的性能，在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。
3．1 軍事
蜘蛛絲強度大、彈性好、柔軟、質(zhì)輕，尤其是具有吸收巨大能量的能力，非常適合防彈衣的制造，用蜘蛛絲做的防彈背心比用芳綸做的性能還好。也可以用于制造坦克和飛機的裝甲，以及軍事建筑物的“防彈衣”等。蜘蛛絲還可用于織造降落傘綢，這種降落傘重量輕、防纏繞、展開力強大、抗風(fēng)性能佳，堅牢耐用。
3．2 航空航天
可用于結(jié)構(gòu)材料、復(fù)合材料和宇航服裝等高強度材料。
3．3 醫(yī)療衛(wèi)生
在醫(yī)學(xué)和保健方面，尤其有廣泛用途。由于蜘蛛絲是天然產(chǎn)品，又由蛋白質(zhì)組成，和人體有良好的相容性，因而可用作高性能的生物材料，制成傷口封閉材料和生理組織工程材料，如人工關(guān)節(jié)、人造肌腱、韌帶、假肢、組織修復(fù)、神經(jīng)外科及眼科等手術(shù)中的可降解超細傷口縫線等產(chǎn)品，具有韌性好、可降解等特性。
3．4 建筑
可用做結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料，應(yīng)用于橋梁、高層建筑和民用建筑等。
4 結(jié)語
200多年來，人們對應(yīng)用蜘蛛絲一直興趣甚濃，然而科學(xué)家卻在近十幾年間，利用基因和蛋白質(zhì)測定等新技術(shù)，才使蜘蛛絲的奧秘得以破譯。人造蜘蛛絲的問世，是人類向大自然學(xué)習(xí)的結(jié)果，也是當(dāng)代材料科學(xué)的一大奇跡。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，蜘蛛絲人工制造與工業(yè)化應(yīng)用研究在不斷深入和擴展，其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟，使蜘蛛絲無法象蠶絲那樣大量生產(chǎn)的歷史宣告結(jié)束，蜘蛛絲將廣泛應(yīng)用于紡織服裝業(yè)、軍事、醫(yī)療、航空航天、建筑與汽車工業(yè)等各個領(lǐng)域，成為新一代高級生物材料。
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