9月20日消息，中国科学家用转基因蚕合成的蜘蛛丝覆盖了类似天然蜘蛛丝表面的保护层，且比防弹背心中使用的凯夫拉纤维坚韧 6 倍。这是第一个利用蚕成功生产全长蜘蛛丝蛋白的研究。

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。

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。

1、蜘蛛丝为什么如此坚固

要想了解蜘蛛丝为什么如此坚固，我们首先要了解它是如何形成的。在蜘蛛的尾部一般有三对纺丝器，每个纺丝器上又有非常多的纺丝管，每个纺丝管又与纺丝线相连，纺丝线是一种储存液态蜘蛛丝原料的管道。当蜘蛛想要吐丝的时候，就会把液态原料挤出来粘在一个固定物上，然后通过移动拉出丝液。当丝液遇到空气以后就会立即发生反应，固化成丝线。

我们肉眼看到的单根蜘蛛丝其实是由很多更细小的原始纤维交织缠绕而成的。每个原始纤维都是由许多分子链组成的聚合物结构。分子链之间通过氢键、范德华力等相互作用形成了不同程度的结晶区域和非结晶区域。结晶区域是分子链排列有序、结构紧密、稳定性高的区域，它决定了蜘蛛丝的强度；非结晶区域是分子链排列无序、结构松散、可变性大的区域，它决定了蜘蛛丝的韧性。正是这种结构使得蜘蛛丝既有高强度又有高韧性。

不同种类的蜘蛛可以产生不同类型和功能的蜘蛛丝。一般来说，每个蜘蛛至少有七种不同的纺丝腺，它们分别可以产出不同物理性质的蜘蛛丝，这些蜘蛛丝在织网的过程中都有不同的作用。

大壶状线：分泌出叶丝、辐射状丝和骨架丝，这些都是构成网骨架和牵引力量的重要组成部分。小壶状线：分泌出捕食用的粗粗黏黏的黏液。葡萄状线：分泌出用于保护卵囊或者自身保温隔热的毡毯状材料。梨状线：分泌出用于粘合网结构或者固定网的基座的胶水。管状线：分泌出用于包裹猎物或者自身伪装的丝带。集合状线：分泌出用于制作蜘蛛网上的信号线或者警戒线的丝。鞭毛状线：分泌出用于制作蜘蛛网上的装饰性或者吸引性的丝。

其中最常被研究的是由大壶状腺分泌的叶丝，它是蜘蛛的生命丝，因为蜘蛛在逃跑或悬挂的时候分泌的正是这种丝，所以它是所有丝中强度最大的。

2、转基因蚕生产蜘蛛丝，兼具高强度和高韧性

蚕可以纺丝，如果修改相关基因，按照逻辑，蚕可以用纺丝的方式生产其他的“丝”。

家蚕的丝腺和蜘蛛丝腺表现出非常相似的理化环境。为了从蚕中纺出蜘蛛丝，东华大学研究团队采用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，并通过数十万次向受精蚕卵的微量注射，将蜘蛛丝蛋白基因导入蚕的 DNA 中，使其在蚕的腺体中表达。

使用转基因蚕生产蜘蛛丝，如何达到甚至超越天然蜘蛛丝的强度和韧性是一个重要问题。

研究人员首先要找到影响强度和韧性的基本因素。他们找来尼龙和凯夫拉纤维，两者虽然都是聚酰胺纤维，但在韧性和拉伸强度方面表现出显著差异，尼龙具有更高的韧性，而凯夫拉纤维则表现出优异的拉伸强度。

聚合物的机械性能与其分子结构密切相关，主要由氢键等非共价相互作用决定。研究人员通过对比尼龙和凯夫拉纤维的机械性能，提出了一个理论框架，阐明了决定纤维韧性和强度的基本因素。

随后，采用同源建模方法，他们引入了一种新颖的蚕丝的“最小基本结构模型”。该模型适用于解释和预测纤维之间的机械性能差异。此外，它还指导蜘蛛丝蛋白在家蚕丝腺内的“本土化”，使蜘蛛丝蛋白适应蚕丝腺，能够正确纺丝。

最终，研究人员通过转基因蚕获得的全长蜘蛛丝纤维具有高拉伸强度（1299 MPa）和卓越的韧性（319 MJ/m3）。

鉴于蚕丝是目前唯一大规模商业化、饲养技术成熟的动物丝纤维，利用转基因蚕生产的蜘蛛丝纤维有望实现低成本、大规模商业化。

另外，该研究中针对“蜘蛛丝纤维的韧性和强度”的理论为开发超级材料提供了重要的指导。未来，基于该理论，研究人员计划利用天然和工程氨基酸生产蜘蛛丝纤维。研究人员表示，工程氨基酸的引入将为工程蜘蛛丝纤维带来无限的潜力。

3、蜘蛛丝的应用很多但却为什么没有普及

由于蜘蛛丝具有优异的结构和性能，它在许多领域都有着广阔的应用，比如纺织领域蜘蛛丝可以用于制作各种衣物和服饰。蜘蛛丝的纺织历史可以追溯到古代，当时人们用蜘蛛丝做成了帽子、围巾、手套等。现代的蜘蛛丝纺织品则更加精致和华丽，比如在2009年，英国维多利亚和阿尔伯特博物馆展出了一件由100个人花了将近四年的时间，收集了120万只金丝蛛的蜘蛛丝制作而成的斗篷，这件斗篷不仅色泽鲜艳，而且它的性能甚至能够超过目前最强的碳纤维材料。

还有医学领域，蜘蛛丝是一种天然的生物相容性材料，它具有良好的生物降解性、抗菌性、抗凝血性等特点，可以用于制作各种医疗器械和药物载体。比如，用蜘蛛丝制作的缝合线可以有效地促进伤口愈合，同时又不会引起排异反应或感染；用蜘蛛丝制作的人工皮肤可以有效地修复烧伤或创伤造成的皮肤损伤，同时又不会影响皮肤正常功能；用蜘蛛丝制作的药物载体可以有效地将药物输送到目标部位，同时又不会对正常组织造成毒副作用。

除此之外，蜘蛛丝还有许多其他潜在的应用领域，甚至可以制作航天器、卫星等。那既然蛛丝这么好，为什么我们没有看到它在实际中的广泛被使用呢？

主要因为目前我们人类还没有攻克蛛丝大规模生产的难题。蜘蛛可不像蚕一样可以集中大规模的养殖，仅靠从野外收集的那效率太低了，因此科学家正在想办法人造蛛丝，目前最好的办法就是改造生物体的基因，比如把蛛丝基因转移到植物的身上，甚至美国华夏农大学的研究人员把蛛丝基因转移到了山羊的体内，这样的转基因山羊产的奶里面就存在大量的蛛丝蛋白，也有科学家还尝试把蛛丝基因转移到了蚕的身上。但问题是以上的这些产生的蛋白分子量都比蛛丝蛋白要小，只有几万道尔吨，而蛛丝蛋白为35万道尔吨，因为蛛丝的抗拉强度和韧性，与其分子量呈正相关，分子量越大，蛛丝就越坚固。

所以分子量是首先需要突破的难关，不过2018年科学家找到了一个解决办法，就是通过转基因细菌制造出了分子量为556000道尔吨的蛛丝蛋白，但如何像蜘蛛一样把蛛丝快速固化变成丝线，又成为了新的难题。虽然现在在实验室已经有了人造蛛丝，但跟天然蛛丝相比那还有一定的差距，可以说目前蛛丝推广商业化的尝试基本都失败了，所以人造蛛丝从实验室到我们生活中大规模的应用还有相当一段路要走。

文章来源： 生辉SynBio，艾牛科普君，风行水上层层浪