量產影響不可估量！黑寡婦是如何織出鋼絲般強韌的蛛絲的？

▲北美常見的黑寡婦蜘蛛。

黑寡婦蜘蛛及其近親原產於各大洲的溫帶地區，能夠生產出一系列具有特殊材料屬性的絲織品。近日，西北大學和聖地亞哥州立大學的研究人員解開了黑寡婦蜘蛛如何將蜘蛛絲蛋白質轉化為鋼強度纖維的複雜過程，有望幫助科學家創造出同樣堅固的合成材料。論文於10月22日發表在《美國國家科學院院刊》網路版上。

科學家們很早就知道蜘蛛絲蛋白質的氨基酸序列以及蜘蛛絲和蜘蛛網的結構。先前的研究推測，蜘蛛絲蛋白在透過蜘蛛的紡絲裝置形成絲纖維之前，會作為奈米級的兩親性球形膠束等待紡絲過程。然而，當科學家試圖複製這一過程時，他們無法創造出具有蜘蛛絲纖維強度和效能的合成材料。

論文的共同通訊作者、西北大學的Nathan C。 Gianneschi說：“知識的鴻溝橫在我們中間，我們沒有完全在奈米尺度上理解絲腺或紡絲管中發生的蛋白質變成纖維的儲存、轉化和運輸過程。”

利用互補的、最先進的技術——聖地亞哥州立大學的核磁共振光譜學，結合西北大學的電子顯微鏡，研究小組仔細地觀察了絲纖維來源的蛋白腺體的內部結構，揭示出一個非常複雜的層次蛋白組裝過程。這一“改良膠束理論”的結論是，蜘蛛絲蛋白最初並不像之前認為的那樣是簡單的球形膠束，而是複雜的複合膠束。這種獨特的結構可能正是黑寡婦蜘蛛形成鋼絲般的纖維所需要的。

共同通訊作者、聖地亞哥州立大學化學與生物化學系的副教授Gregory P。 Holland說：“我們現在知道，黑寡婦蜘蛛絲是由儲存在蜘蛛腹部的不同層次的蛋白質奈米元件（直徑200到500nm）織成的，而不是由單個蛋白質的隨機溶液或簡單的球形顆粒織成的。如果我們能夠複製這個過程，產生的材料的實際應用基本上是無限的，可能用於軍事、急救和運動員的高效能紡織品，電纜橋架及其他建築材料，塑膠的環保替代品以及生物醫學應用。”

“毫不誇張地說，如果我們能複製這個自然過程來大規模生產人造纖維，將會對材料和工程產生不可估量的影響。簡而言之，這將是一種變革。”Gianneschi補充道。

編譯：花花

審稿：三水

責編：南熙