蜘蛛絲是自然界中最強和最堅韌的材料之一，與一些鋼材合金一樣堅固，韌性甚至比防彈凱夫拉爾還要大。蜘蛛絲無與倫比的強度和韌性組合使這種蛋白質(zhì)基材料成為許多應(yīng)用的理想選擇，從超薄手術(shù)縫合線到防彈服裝。不幸的是，由于蜘蛛的領(lǐng)土和自相殘殺的性質(zhì)，它們的絲綢不可能大規(guī)模生產(chǎn)，因此實際應(yīng)用尚未實現(xiàn)。

科學(xué)家們已經(jīng)能夠制造出某種形式的合成蜘蛛絲，但卻無法設(shè)計出包含大部分(如果不是全部)天然絲綢特性的材料。

到現(xiàn)在。

位于圣路易斯華盛頓大學(xué)的工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員已經(jīng)設(shè)計出能夠生產(chǎn)生物合成蜘蛛絲的細菌，其性能與所有重要措施中的天然對應(yīng)物相當(dāng)。他們發(fā)現(xiàn)了一些令人興奮的未來可能性。

這項于8月20日星期一發(fā)表在Biomacromolecules上的新研究表明，蜘蛛絲的拉伸強度和韌性與其分子量保持正相關(guān) - 分子越大，絲綢越強 - 即使在合成絲綢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)即使在這么大的尺寸下，仍然存在很好的相關(guān)性，”工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副教授張福忠說。

創(chuàng)造生物合成蜘蛛絲的最大歷史挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)造了足夠大的蛋白質(zhì)。事實上，挑戰(zhàn)是如此之大，它需要一種全新的方法。

“我們從其他人做過的事情開始，制作一個基因重復(fù)序列，”張實驗博士生克里斯托弗鮑文說。在蜘蛛序列中模擬DNA序列，所述蜘蛛負責(zé)產(chǎn)生絲蛋白。理論上，序列的重復(fù)次數(shù)越多，得到的蛋白質(zhì)越大。

然而，在DNA序列達到一定大小后，“細菌無法處理它，它們將序列切成小塊，”Bowen說。在以前的努力中已經(jīng)遇到過很多次問題。為了解決這個長期存在的障礙，Bowen和合著者在絲綢DNA上添加了一個簡短的基因序列，促進了所得蛋白質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，將它們?nèi)诤显谝黄鹦纬梢环N更大的蛋白質(zhì)，比以前產(chǎn)生的更大，以前凈化過。

“我們制造的蛋白質(zhì)基本上是以前任何人能夠做到的兩倍，”鮑文說。他們的絲蛋白鏈?zhǔn)?56 kDa。以前，最大的生物合成蜘蛛絲蛋白為285 kDa。即使是天然的拉絲絲蛋白也往往在370 kDa左右，盡管有一些更大的異常值。

Bowen及其合著者隨后將其特別大的生物合成絲蛋白紡成約為人類頭發(fā)直徑十分之一的纖維并測試其機械性能。這種生物合成絲是第一個復(fù)制天然蜘蛛絲的方法：拉伸強度(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)，以及其他機械參數(shù)如彈性模量和延展性。

展望未來，張的實驗室正致力于定位生物合成絲纖維，以取代工業(yè)中使用的無數(shù)石油基合成纖維。

“我們將繼續(xù)致力于通過簡化處理，減少所需化學(xué)品的數(shù)量，提高穩(wěn)健性和效率，使流程更具可擴展性和經(jīng)濟性，”張說。

張集團還計劃進一步探索新方法的局限性。除了生產(chǎn)第一種生物合成絲纖維以完全復(fù)制天然蜘蛛絲的性能外，他們的工作強烈表明，如果能夠生產(chǎn)更大的蛋白質(zhì)，這些纖維的強度和韌性將繼續(xù)增加。