尼龙等商业合成纤维的生产通常以化石燃料为原料，在生产过程中会向环境中排放温室气体以及有害的微塑料。在机械性能方面，有理论表明工程材料的拉伸强度和韧性特性是相互排斥的，即两者不可兼得，因此目前商业合成纤维往往只能在这两种性能之间进行折中。

蜘蛛丝被视为一种极具吸引力的合成纤维可持续替代品，它具有复杂的特性组合，强度高、重量轻且超柔韧，是一种急需开发的战略资源。

然而，“人造蜘蛛丝”想要完美复制“天然蜘蛛丝”存在诸多难点。

第一，蜘蛛丝的机械性能由其蛋白质四级结构决定，而蛋白质四级结构又受到初级蛋白质结构和纺丝过程的影响。然而，人们一直未完全探明其中机制，因此无法复制天然蜘蛛丝纺丝所需的物理化学环境；第二，天然蜘蛛丝存在成分为糖蛋白和脂质的表面层，能够帮助其承受湿度和阳光照射，被喻为抗衰老“皮肤层”，而人造蜘蛛丝难以复制这一保护层。

基于这些因素，目前可用的大多数合成蜘蛛丝纤维与其天然对应物相比在一个或多个方面表现出较差的机械性能。

中国科学家让蚕“吐”蛛丝

中国科学家成功利用转基因蚕合成了蜘蛛丝，其生产的纤维比防弹背心中使用的凯夫拉纤维坚韧六倍。这也是首个用蚕生产全长蜘蛛丝蛋白的研究。相关研究成果发表在《物质》（Matter）杂志上。

之前开发的人造蜘蛛丝纺丝工艺难以在丝上涂上保护层以承受湿度和阳光照射所带来的损害，而转基因蚕提供了解决方案。转基因蚕生产的蜘蛛丝纤维具有极高的机械性能，可用作手术缝合线。此外，蜘蛛丝纤维还可用于制造更舒适的服装、创新型的防弹背心，并在智能材料、军事、航空航天技术和生物医学工程方面有应用前景。

转基因蚕生产蜘蛛丝，兼具高强度和高韧性

科学家认为蛛丝是合成纤维的有前景的可持续替代品。合成纤维会向环境中释放有害的微塑料，它们通常由产生温室气体排放的化石燃料生产。之前开发的人造蛛丝工艺需要在蛛丝表面涂上一层糖蛋白和脂质，类似于蜘蛛在网上涂上的一层抗衰老的“皮肤层”，来帮助它抵抗潮湿和光照。

转基因蚕为这个问题提供了一个解决方案，蚕也会在自己的纤维上包裹一层类似的保护层。蚕丝是目前唯一一种大规模商业化的动物丝纤维，已拥有完善的饲养技术，这使得使用转基因蚕生产蜘蛛丝纤维可以实现低成本、大规模的商业化。

为了让蚕“吐出”蛛丝，研究人员将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中，利用基因编辑技术CRISPR-Cas9和数十万次微量注射到受精卵中的方法，在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。在这项研究中，显微注射是最重大的挑战之一。

论文第一作者、东华大学生物科学与医学工程学院博士生米俊鹏仍记得，当他看到基因编辑成功的标志——蚕的眼睛在荧光显微镜下发出红光时，欣喜若狂。“我手舞足蹈跑到孟清教授的办公室分享这个结果。那个晚上，我兴奋地睡不着觉。”米俊鹏回忆。

研究还需要对转基因蛛丝蛋白进行定位修饰，使其能够与蚕腺体中的蛋白质正常相互作用，确保纤维能够正常纺出。为此，该团队开发了蚕丝的最小基本结构模型。“我们在研究中引入的定位概念，并提出最小结构模型，这些代表了与以往研究的重大差异。我们相信大规模商业化即将到来。”米俊鹏说。

他表示，新研究中生产的蛛丝纤维具有极高的机械性能，具有重要的应用前景。例如，它们可用作外科缝合线，满足全球每年超过3亿次手术的需求。蜘蛛丝纤维还可用于制造更舒适的服装和新型防弹背心，并在智能材料、军事、航空航天技术和生物医学工程中得到应用。

研究结果显示，这些由蚕“吐出”的蜘蛛丝蛋白纤维表现出了惊人的抗拉强度和惊人的韧性。其韧性达319兆焦耳每立方米，比美国杜邦公司研发的可用于制作防弹衣的凯夫拉材料高6倍。

高强度碳纤维的抗拉强度可达3000兆帕以上，这种新型蜘蛛丝蛋白纤维的抗拉强度为1299兆帕，虽然在抗拉强度方面，蜘蛛丝蛋白纤维目前还比不上碳纤维，但通过改进，其抗拉强度或许也能够达到或者超过碳纤维。

转基因蚕吐出的蛛丝蛋白纤维。图片来自：米俊鹏

转基因蚕吐出的蛛丝蛋白纤维。图片来自：米俊鹏

家蚕的丝腺。图片来自：米俊鹏

下一步，研究人员计划利用对当前研究中蜘蛛丝纤维的韧性和强度的理解，开发可以产生天然和工程氨基酸蛛丝纤维的转基因蚕。“一百多种工程氨基酸的引入能为工程蛛丝纤维提供无限潜力。”米俊鹏说。

碳纤维是一种脆性材料，而这种新研发的蜘蛛丝蛋白纤维，不仅韧性极强，抗拉强度也较高，也难怪研究人员声称这种新材料或许能将太空电梯变为现实。

文章来源： 生辉，科技日报 ，艾牛科普君，《物质》