蔡立英/編譯

蜘蛛網(wǎng)激發(fā)的靈感

蔡立英/編譯

天然蜘蛛絲（右）的一種仿生材料（左）結(jié)合了可以作為一種給藥系統(tǒng)的聚合物滴

●蜘蛛吐出的堅(jiān)固而有彈性和黏性的絲激發(fā)了工程師的靈感，從而設(shè)計(jì)出了人造肌腱和角膜等先驅(qū)性的醫(yī)療產(chǎn)品。

一只馬達(dá)加斯加樹(shù)皮蜘蛛把一根拖絲吐到空中，細(xì)絲被風(fēng)吹到河的另一邊，停在25米開(kāi)外河對(duì)岸的樹(shù)葉上。隨后，這只達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛伸出橋線確定張力并加固，然后拉出一套所需的更具彈性或黏性的其他絲線，從而結(jié)成網(wǎng)捕獲飛過(guò)水面的昆蟲(chóng)。

達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛的橋線是世界上已知最堅(jiān)韌的生物材料——甚至比鋼還要堅(jiān)韌，但是達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛在制造不同種類(lèi)的絲線方面的多才多藝卻不獨(dú)特。很多蜘蛛能吐出多種絲：緊繃的結(jié)構(gòu)絲用來(lái)穩(wěn)定它們的網(wǎng)；具有黏性和彈性的螺旋絲用來(lái)捕獲飛蟲(chóng)；黏合墊用來(lái)錨定它們的網(wǎng)；還有非常牢固的拖絲用來(lái)懸掛。

這些天然纖維非凡的機(jī)械特性已經(jīng)引起了材料科學(xué)家的關(guān)注。研究人員正從蜘蛛綱動(dòng)物和其他吐絲動(dòng)物身上尋找靈感，研究如何制造用于橋梁和車(chē)輛的新結(jié)構(gòu)材料，用于爬壁機(jī)器人的抗污黏合劑，以及用于生物醫(yī)療器械的堅(jiān)固的聚合物。許多絲集合了現(xiàn)有人造材料并不具備的特性——在蜘蛛絲上發(fā)現(xiàn)的超級(jí)堅(jiān)韌性和彈性就是一個(gè)例子。絲蛋白能被制成塑料那樣或是像硅一樣具有光學(xué)功能，但因?yàn)樗鼈兪怯袡C(jī)生物材料，所以絲是環(huán)保的、具有生物相容性的。絲蛋白能制成薄膜植入到體內(nèi)，溶解后釋放藥物。這些特性組合是聚酯、膠原蛋白或其他任何材料都不具備的，美國(guó)塔夫茨大學(xué)的研究者大衛(wèi)·卡普蘭（David Kaplan）說(shuō)，他是高科技生物醫(yī)學(xué)絲的早期支持者，“人們對(duì)新的生物材料有明顯的需求?！睂?duì)卡普蘭和其他人而言，絲是滿足這種需求的最佳選擇。

常見(jiàn)的絲

許多無(wú)脊椎動(dòng)物，包括蜘蛛、蜜蜂和蠶，都獨(dú)立進(jìn)化出了絲。單個(gè)的蜘蛛能制造多達(dá)6種不同的絲蛋白（和兩種膠蛋白），每種絲蛋白隨著這些動(dòng)物的進(jìn)化，已經(jīng)有4億多年的自然進(jìn)化史。每個(gè)蜘蛛物種用它們自己的這些蛋白質(zhì)變體制造不同類(lèi)型的絲。

“我們認(rèn)為一只原始的蜘蛛具有一種絲，而在基因復(fù)制和演變的過(guò)程中會(huì)發(fā)生很多事件?！奔又荽髮W(xué)河濱分校的蜘蛛專(zhuān)家謝麗爾·林（Cheryl Hayashi）說(shuō)。那些與原始的蜘蛛祖先更接近的蜘蛛物種，比如狼蛛和螲蟷，吐出的絲設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單——例如，用種類(lèi)更少的絲結(jié)成雜亂的纏結(jié)來(lái)捕獲在蜘蛛網(wǎng)上爬行的昆蟲(chóng)。其他蜘蛛經(jīng)過(guò)進(jìn)化，能織出更復(fù)雜的螺旋式圓網(wǎng)，這種網(wǎng)的不同區(qū)域是由不同類(lèi)型的蛛絲構(gòu)成的——一些絲在捕獲獵物方面進(jìn)行了優(yōu)化，另一些絲在大網(wǎng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)支持方面進(jìn)行了優(yōu)化。

這種進(jìn)化的恩賜給試圖把蜘蛛絲用于人類(lèi)服務(wù)的工程師帶來(lái)了福音和啟示。如果一個(gè)設(shè)計(jì)需要一種具有特定的強(qiáng)度和彈性比的纖維，“很可能這種纖維已經(jīng)被成千上萬(wàn)種蜘蛛里的一種發(fā)明出來(lái)了?！绷终f(shuō)。

大多數(shù)研究都是圍繞利用蜘蛛絲的堅(jiān)韌性——在材料科學(xué)上，用堅(jiān)韌性來(lái)度量弄斷某物需要多大的能量。像蜘蛛絲這樣的材料既堅(jiān)固又有彈性。即使一只飛入蜘蛛網(wǎng)的大昆蟲(chóng)以最大的速度拉伸蜘蛛網(wǎng)上最好的纖維，也不能沖破它們。

蜘蛛的拖絲是目前已知最堅(jiān)韌的絲，也是研究者密切關(guān)注的研究熱點(diǎn)。蜘蛛利用拖絲安全地懸掛著，制造蜘蛛網(wǎng)的框架，并用在抗破損是頭等大事的場(chǎng)所。在2004年上映的電影《蜘蛛俠2》的一幕場(chǎng)景中，這個(gè)名叫蜘蛛俠的超級(jí)英雄用他的蜘蛛網(wǎng)攔截了一列失控的紐約地鐵，這一場(chǎng)景并非太遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)。2012年，英國(guó)萊斯特大學(xué)的物理學(xué)研究生計(jì)算出達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛吐出的拖絲就能實(shí)現(xiàn)電影中所展現(xiàn)的壯舉。

人造絲是猶他州立大學(xué)通過(guò)基因工程制造的蜘蛛絲蛋白紡織出來(lái)的

達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛的拖絲如果能批量生產(chǎn)，將在那些重量輕但堅(jiān)固的材料至關(guān)重要的應(yīng)用中發(fā)揮寶貴作用：比如戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的頭盔，人造肌腱和韌帶，或是蜘蛛俠般的攀爬繩索。但是從實(shí)用和工業(yè)生產(chǎn)的觀點(diǎn)來(lái)看，蜘蛛是無(wú)用的。當(dāng)蜘蛛被人工圈養(yǎng)時(shí)，會(huì)變成吃同類(lèi)者，所以必須從野外捕捉。為了獲得天然蜘蛛絲，研究者必須麻醉蜘蛛，把一根蜘蛛絲的一端綁到一個(gè)電鉆的變速馬達(dá)上，然后輕輕地從蜘蛛的一個(gè)絲腺體中把絲拉出來(lái)。根據(jù)蜘蛛的種類(lèi)不同，這個(gè)抽絲技術(shù)能產(chǎn)生多達(dá)100米的絲。這道費(fèi)力的工序比從蜘蛛網(wǎng)中把絲分揀出來(lái)更容易，但是不能批量生產(chǎn)。所以研究者正在研究如何不借助蜘蛛就能生產(chǎn)蜘蛛絲。這種制作法提出了兩項(xiàng)初始的挑戰(zhàn)：第一，從哪里找到絲蛋白；第二，如何把絲蛋白組裝成有用的纖維。

聚焦纖維

為了實(shí)現(xiàn)使人造蜘蛛絲成為一種工程材料的夢(mèng)想，研究者從基因開(kāi)始著手。美國(guó)猶他州立大學(xué)的倫道夫·劉易斯（Randolph Lewis）在1990年首次對(duì)蜘蛛絲蛋白基因進(jìn)行了測(cè)序。劉易斯選擇了棒絡(luò)新婦蛛的拖絲，這是一種原產(chǎn)于美洲的物種，又被稱(chēng)為金紡蜘蛛。從那以后，劉易斯和其他研究者成功地在許多生物系統(tǒng)中對(duì)這種蛋白質(zhì)進(jìn)行了表達(dá)，包括大腸桿菌、紫花苜蓿和山羊，山羊在其羊奶中表達(dá)出這種蛋白質(zhì)分子。劉易斯創(chuàng)辦了一家名叫Araknitek的公司來(lái)研發(fā)和許可生產(chǎn)這些蛋白質(zhì)。

還有其他公司也在研發(fā)蜘蛛絲蛋白。位于德國(guó)慕尼黑附近的AMSilk公司生產(chǎn)了用于化妝品和洗發(fā)劑的人造蜘蛛絲蛋白；位于瑞典斯德哥爾摩的Spiber技術(shù)公司出售由實(shí)驗(yàn)室自制的蜘蛛絲構(gòu)成的用于生長(zhǎng)細(xì)胞培養(yǎng)物的網(wǎng)狀物和薄膜。另一個(gè)幾乎同名的公司——位于日本鶴岡市的Spiber公司，已經(jīng)從慶應(yīng)大學(xué)脫離出來(lái)。很多具有商業(yè)頭腦的公司都在研制人造蜘蛛絲的薄膜或纖維，用于醫(yī)學(xué)器械和紡織品。

但是還沒(méi)有人研究出如何生產(chǎn)像原絲一樣堅(jiān)韌的絲線軸?！拔覀冏詈玫睦w維的抗拉強(qiáng)度大約是蜘蛛絲的一半到三分之二?！眲⒁姿拐f(shuō)。一個(gè)問(wèn)題是基因工程制造的蜘蛛絲蛋白質(zhì)分子沒(méi)有天然的蜘蛛絲蛋白質(zhì)分子那么大。無(wú)論材料是蛋白質(zhì)還是塑料，纖維紡絲的一般規(guī)則是分子越大，纖維越強(qiáng)韌。但是這種趨勢(shì)顛覆了生物工程的一個(gè)公理：蛋白質(zhì)越大，在一個(gè)轉(zhuǎn)基因的生物體中越難生產(chǎn)出來(lái)。天然拖絲蛋白的分子質(zhì)量為250至500千道爾頓；而在實(shí)驗(yàn)室中制造的轉(zhuǎn)基因生物體生產(chǎn)的絲蛋白的分子質(zhì)量只有大約60至80千道爾頓。劉易斯說(shuō)自己正在繼續(xù)研究在轉(zhuǎn)基因生物體中生產(chǎn)2到3倍這種分子質(zhì)量、更接近于天然蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)。“纖維的抗拉強(qiáng)度也將會(huì)提高?！彼f(shuō)。

即使用了正確的蛋白質(zhì)，人類(lèi)在合成蛋白質(zhì)方面依然處于劣勢(shì)，因?yàn)槲覀內(nèi)匀徊煌耆乐┲胧侨绾魏铣傻鞍踪|(zhì)的。人造絲的纖維紡絲技術(shù)是基于生產(chǎn)凱夫拉爾（Kevlar）這樣的聚合物纖維的方法，凱夫拉爾是美國(guó)杜邦公司研制的一種芳綸纖維品牌。這些技術(shù)對(duì)于它們所設(shè)計(jì)制造的人造聚合物很有效，用來(lái)生產(chǎn)蛋白質(zhì)則效果不佳。把蛋白質(zhì)從一個(gè)微細(xì)針的針尖中擠出來(lái)，在水或酒精中洗滌后，拉伸并干燥——這個(gè)制作法與蜘蛛所采用的方法有很大的不同?？茖W(xué)家知道蜘蛛從專(zhuān)門(mén)的腺體中拉出蜘蛛絲，有些絲腺體包含不止一種蛋白質(zhì)。絲從腺體中產(chǎn)生時(shí)是高度濃縮的纖維液體溶液，隨著被拉出而結(jié)晶。這個(gè)過(guò)程還沒(méi)有被模仿，研究者才剛剛開(kāi)始理解使紡絲成為可能的解剖學(xué)和生理學(xué)的細(xì)節(jié)。

瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)（位于烏普薩拉）生物化學(xué)家安娜·瑞星（Anna Rising）正求助于蜘蛛來(lái)尋找纖維紡絲的線索。為了更深入地了解如何制造堅(jiān)韌的絲纖維，她和一個(gè)學(xué)生開(kāi)展了一項(xiàng)精細(xì)復(fù)雜的研究，他們希望獲得可應(yīng)用于工業(yè)制絲的靈感。他們把微電極沿著活蜘蛛的絲腺體放置，從袋狀的貯液囊沿著變窄的管道向下到其開(kāi)口。她說(shuō)，這些感應(yīng)器揭示了如下現(xiàn)象：沿著絲腺體的長(zhǎng)度“有相當(dāng)令人印象深刻的pH梯度，并且CO2增加了”。瑞星現(xiàn)在正在研究復(fù)制這些pH梯度，她說(shuō)這些梯度可能有助于控制絲蛋白在紡絲時(shí)的結(jié)晶。

瑞星還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)絲蛋白還在絲腺體里面時(shí)，一個(gè)絲蛋白的頭與下一個(gè)絲蛋白的尾銜接在一起，排列成一行。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)在絲腺體內(nèi)聚集時(shí)，它們事先排成一行。纖維中的蛋白質(zhì)排列得越整齊，則纖維越強(qiáng)韌。這一點(diǎn)也可以在合成纖維中進(jìn)行模仿。瑞典的Spiber技術(shù)公司正致力于把瑞星的想法商業(yè)化，在大腸桿菌中生產(chǎn)重組絲蛋白，目標(biāo)是制造供臨床使用的替代性肌腱和韌帶。

林將觀察蜘蛛發(fā)育過(guò)程中絲腺體的發(fā)育，從而獲得更多的啟示。她正在研究黑寡婦蜘蛛，這種蜘蛛擁有七種絲腺體，每一種都會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的絲纖維。

盡管許多研究者受到蜘蛛拖絲的機(jī)械堅(jiān)韌性的啟發(fā)，其他人則從蜘蛛絲上看到了更廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)阿克倫大學(xué)的昆蟲(chóng)學(xué)家托德·布萊克萊杰（Todd Blackledge）是第一個(gè)鑒定了達(dá)爾文樹(shù)皮蜘蛛絲特性的科學(xué)家。他說(shuō)只關(guān)注一只蜘蛛或是一種蜘蛛就像是只研究近交系的實(shí)驗(yàn)室小白鼠。他正在觀察其他蜘蛛吐出的絲，與阿克倫大學(xué)的材料科學(xué)家阿里·迪諾耶瓦拉（Ali Dhinojwala）合作研究某些蜘蛛網(wǎng)具有黏性的原因。他們倆發(fā)現(xiàn)很多蜘蛛絲的黏性不僅跟化學(xué)有關(guān)，還跟結(jié)構(gòu)有關(guān)。

蜘蛛綱動(dòng)物常見(jiàn)的一種黏合技術(shù)是制造一片緊湊的平行絲線，以在一端固定拖絲。蜘蛛這樣做，就能安全地懸掛著了。這個(gè)黏合片由一種叫做梨狀絲的線圈狀絲蛋白的平行絲線構(gòu)成；由這種蛋白質(zhì)制成的纖維具有高度的彈性，像橡皮筋一樣。這種梨狀絲涂有黏蛋白溶液。要移除這種致密的黏合片，需要拉動(dòng)上百根彈性絲線超過(guò)其斷裂點(diǎn)。迪諾耶瓦拉是一名聚合物化學(xué)家，在一種聚合物黏合片上模仿了蜘蛛的黏合片。他證明一塊具有合適彈性的聚合物絲線的黏性會(huì)像蜘蛛的黏合片一樣，希望研制出用于肌腱修復(fù)手術(shù)的人造黏合片。

蜘蛛絲之外的絲

因?yàn)橛幸恍┭芯空咭呀?jīng)在破解蜘蛛絲的難題，其他研究者則利用更容易著手的一種動(dòng)物制造的絲的特性。家蠶長(zhǎng)期以來(lái)被飼養(yǎng)用來(lái)生產(chǎn)有光澤的紡織品。

蠶纖維不如蜘蛛絲那么堅(jiān)韌，在很多方面來(lái)說(shuō)都更簡(jiǎn)單。蠶用它們的絲只做一件事：蠶在變態(tài)發(fā)育期間，吐絲做繭作為庇身之所。蠶絲只有一種結(jié)構(gòu)成分，叫做絲素蛋白?？ㄆ仗m看到了絲素蛋白的廣闊前景——不一定要以纖維的形式得以應(yīng)用。

蠶絲素蛋白是現(xiàn)成的，而且易于使用，美國(guó)塔夫茨大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師、光子材料領(lǐng)域的專(zhuān)家菲奧倫佐·奧梅內(nèi)托（Fiorenzo Omenetto）說(shuō)。為了與塑料和硅等商品材料在電子器件和醫(yī)療器械方面的應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)，尺寸是關(guān)鍵。奧梅內(nèi)托訂購(gòu)了大箱大箱的蠶繭，然后用卡普蘭最初研制的配方對(duì)蠶絲進(jìn)行加工。剖開(kāi)蠶繭，把蠶蛹拿掉，把蠶繭放到熱水浴中，把絲纖維上的如膠似漆的糖蛋白絲膠洗干凈，再進(jìn)行處理，以溶解和凈化絲素蛋白。

由此得到的稠密的水溶液能與藥物和其他生物分子或納米顆?；旌?，從而制成薄膜或其他結(jié)構(gòu)。通過(guò)控制干燥環(huán)節(jié)的條件，研究人員可以引導(dǎo)絲素結(jié)晶成按所需時(shí)間尺度溶解的形態(tài)。

卡普蘭和奧梅內(nèi)托已經(jīng)用絲薄膜來(lái)安置能監(jiān)測(cè)心臟功能然后溶解的可生物降解的電子設(shè)備。他們還研制了藥物釋放植入體，人造角膜，堅(jiān)固到足以擰入骨骼然后隨著時(shí)間的推移而降解的絲制矯形器械，以及用于從大腦皮層生長(zhǎng)神經(jīng)元的濕軟支架。

醫(yī)學(xué)應(yīng)用為絲的技術(shù)用途鋪平了道路，卡普蘭說(shuō)。絲線已經(jīng)在醫(yī)療機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用，是最常用的縫線材料?？ㄆ仗m和其他研究者所研發(fā)的一些絲制的生物醫(yī)學(xué)器械已經(jīng)投放市場(chǎng)或是處于臨床試驗(yàn)階段，用于軟組織修復(fù)手術(shù)。而且，總部設(shè)在英國(guó)牛津郡的Orthox公司正在測(cè)試絲制器械用于膝蓋修復(fù)。很多致力于制造蜘蛛絲的研究人員想使蜘蛛絲得到類(lèi)似的應(yīng)用，比如修復(fù)韌帶，蜘蛛絲格外的堅(jiān)韌性會(huì)是額外的優(yōu)勢(shì)。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的生物工程師塔拉·薩瑟蘭（Tara Sutherland）正在研究沒(méi)有蜘蛛絲和蠶絲那么有名的絲。薩瑟蘭的分析揭示了在10萬(wàn)個(gè)不同的昆蟲(chóng)物種中獨(dú)立進(jìn)化的23組類(lèi)型的絲。薩瑟蘭和卡普蘭一樣，腦海中也設(shè)想了絲的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。她從上千種選擇中瞄準(zhǔn)了一種昆蟲(chóng)：蜜蜂。蜜蜂用絲為它們的蜂巢提供隔熱和結(jié)構(gòu)支撐。

薩瑟蘭從生物信息學(xué)的角度而不是進(jìn)化學(xué)的角度，研究選擇合適的絲這個(gè)問(wèn)題。她想充分利用生物聚合物提供的性能。不像塑料和其他材料，蛋白質(zhì)能感知環(huán)境并做出反應(yīng)。薩瑟蘭想制造會(huì)按照指示釋放細(xì)胞吸引信號(hào)的組織工程支架，或是在感測(cè)到感染時(shí)會(huì)釋放抗生素的絲繃帶。她已經(jīng)從耐克公司和美國(guó)宇航局等機(jī)構(gòu)獲得了研究資助。

要尋找一種可以很容易修改基因以加入智能特性的絲，她的分析指向了蜜蜂制造的絲。這些蛋白質(zhì)比蜘蛛絲中的蛋白質(zhì)更小，因而基因工程師更容易操縱。薩瑟蘭的分析顯示，基因序列的大片段可以在不干擾蛋白質(zhì)的堅(jiān)韌性和生物可降解性的情況下被改變。這為她通過(guò)基因工程植入新功能提供了更大的空間，比如吸引細(xì)胞幫助重建組織。薩瑟蘭現(xiàn)在正在用這些絲來(lái)開(kāi)發(fā)具有生物活性的繃帶和其他醫(yī)療器械。

對(duì)薩瑟蘭和其他研究者而言，自然界中的吐絲動(dòng)物制造的纖維蘊(yùn)含無(wú)窮的魅力和設(shè)計(jì)創(chuàng)意。“絲是地球上最好的材料，”卡普蘭說(shuō)，“沒(méi)有其他東西能與之媲美?！?/p>

[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]