蜘蛛屬于節(jié)肢動(dòng)物門，是一種全球廣泛分布的動(dòng)物，其起源可以追溯至遠(yuǎn)古時(shí)代，大約4億年前的泥盆紀(jì)時(shí)期。截至最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，世界上已發(fā)現(xiàn)超過(guò)42 750種類型的蜘蛛，大多數(shù)的蜘蛛至少含有7種絲腺，即大壺狀腺、小壺狀腺、葡萄狀腺、柱狀或管狀腺、鞭狀或冠狀腺、梨狀腺和集合腺[1]。不同的絲腺可以分泌出不同物理性質(zhì)的絲，具有不同的功能。例如，由大壺腹?fàn)钕俜置诘臓恳z，又叫框絲，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可以用于建網(wǎng)、捕食、逃避捕食者等；由集合狀腺分泌的連接絲具有很高的黏性，可以用于連接、黏附等。

蛛絲蛋白初級(jí)結(jié)構(gòu)

蜘蛛絲主要由一種或多種蜘蛛蛋白組成，這些蛋白質(zhì)往往很大（每個(gè)單體可達(dá)350千道爾頓）。盡管蜘蛛絲性質(zhì)不同，但所有蜘蛛蛋白都有一個(gè)共同的初級(jí)結(jié)構(gòu)模式，中間為一個(gè)由重復(fù)模塊單元組成的大核心，兩側(cè)是非重復(fù)結(jié)構(gòu)域。非重復(fù)末端結(jié)構(gòu)域具有折疊的球形結(jié)構(gòu)，由100～140個(gè)氨基酸組成。這種末端結(jié)構(gòu)域?qū)τ谥虢z腺中蛛絲蛋白的儲(chǔ)存和紡絲管中纖維的形成至關(guān)重要。重復(fù)核心序列由模塊單元組成，每個(gè)單元包含40～200個(gè)氨基酸，這些模塊單元在核心域內(nèi)大約重復(fù)100次。在大壺狀腺、小壺狀腺和鞭毛狀絲中，模塊單元主要由（Ala）4-14、（GlyAla）n、GlyGlyX和GlyProGlyXX序列組成，其中X代表可變氨基酸。一般來(lái)說(shuō)，這些序列的子集、順序和數(shù)量對(duì)纖維的機(jī)械性能至關(guān)重要。

由大壺狀腺分泌的蜘蛛牽引絲，其拉伸強(qiáng)度為0.88～1.6吉帕，韌性為136～350 兆焦每立方米，是被研究的最多、最深入的蜘蛛絲之一。這種牽引絲主要由兩種大壺狀腺蛛絲蛋白MaSp1和MaSp2構(gòu)成，是一種嵌段共聚物。MaSp1的單個(gè)模塊單元通常包括一個(gè)聚丙氨酸塊和幾個(gè)GGX基序，在MaSp2模塊中，GGX基序被GPGXX基序取代，顯著增加了MaSp2的脯氨酸含量。這些基序的重復(fù)交替組成了牽引絲的核心結(jié)構(gòu)域，末端則是由小的非重復(fù)氨基和羧基結(jié)構(gòu)域構(gòu)成[2]。

蜘蛛紡絲過(guò)程

蜘蛛的紡絲過(guò)程可分為4個(gè)部分[3]。第一部分在尾部，由專屬細(xì)胞分泌蛛絲蛋白；第二部分在壺腹/囊中，蛛絲蛋白被儲(chǔ)存起來(lái)，與壺腹中的其他化合物混合形成纖維的皮膚層。在壺腹中，蛛絲蛋白的濃度可以達(dá)到50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在這個(gè)濃度下，大多數(shù)蛋白傾向于不可逆的聚集。為了防止這種非特異性聚集，蛛絲蛋白借助其兩親性的性質(zhì)形成膠束狀結(jié)構(gòu)。另外，非重復(fù)末端結(jié)構(gòu)域也支持這種超分子組裝體的形成。這種具有向列液晶相性質(zhì)的蛛絲蛋白稱為紡絲液。在第三部分，蛛絲蛋白流經(jīng)S-形軌道，隨著軌道逐漸變窄，剪切力增加，液晶性蛛絲蛋白形成β-折疊晶區(qū)。在紡絲過(guò)程的最后一部分，纖維從噴絲口拉出，剪切力進(jìn)一步提高，導(dǎo)致蛛絲蛋白產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)變化，特別是在末端結(jié)構(gòu)域，上皮細(xì)胞將水排出去導(dǎo)致蛛絲蛋白和溶劑發(fā)生相分離，疏水區(qū)域被暴露，這些末端結(jié)構(gòu)域的變化造成膠束狀結(jié)構(gòu)核心區(qū)域的重新排列，與剪切力一起支持蛛絲蛋白組裝。另外，除了剪切力的影響外，在S-形軌道發(fā)生的化學(xué)變化也會(huì)影響蛛絲蛋白結(jié)構(gòu)變化。Na+、Cl-和K+、PO43-的交換導(dǎo)致羧基末端非重復(fù)結(jié)構(gòu)域中疏水區(qū)域的暴露；將pH從7降低到6，氨基末端結(jié)構(gòu)域二聚化，可充當(dāng)物理交聯(lián)點(diǎn)交聯(lián)蛛絲蛋白結(jié)構(gòu)。

在纖維離開(kāi)噴絲口之前，會(huì)通過(guò)一個(gè)“閥門”，一個(gè)在內(nèi)部破裂后幫助重新啟動(dòng)紡絲過(guò)程的器官。通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行前后加捻，以此將破裂的纖維移動(dòng)到打開(kāi)的閥門中。一旦纖維從噴絲口中噴出去，蜘蛛將會(huì)進(jìn)一步拉伸纖維導(dǎo)致纖維進(jìn)一步水分蒸發(fā)和分子有序排列。這種復(fù)雜精細(xì)的紡絲過(guò)程產(chǎn)生了一種強(qiáng)而韌的蜘蛛絲。

蜘蛛牽引絲多級(jí)結(jié)構(gòu)

蜘蛛牽引絲具有一種多級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)蛛絲切片并免疫染色，然后通過(guò)透射電子顯微鏡觀察到MaSp1和MaSp2蛋白在蛛絲橫截面上異質(zhì)分布，呈現(xiàn)一種“核殼結(jié)構(gòu)”[4]。即外殼主要由MaSp1蛋白組成，表現(xiàn)為高模量和低延展性；內(nèi)核則是由MaSp1和MaSp2蛋白混合構(gòu)成，表現(xiàn)為低模量和高延展性。這種剛?cè)岵?jì)的核殼結(jié)構(gòu)是蜘蛛牽引絲兼具優(yōu)異強(qiáng)度和韌性的重要原因之一。另外，科學(xué)家借助原子力顯微鏡在蜘蛛絲表面觀察到了螺旋扭曲的納米纖維結(jié)構(gòu)，這些納米纖維沿著蜘蛛絲長(zhǎng)度方向有序排列[5]；將蛛絲放在去離子水中進(jìn)行超聲分解，可以得到直徑10納米的納米纖維，單根納米纖維的斷裂強(qiáng)度約為120納牛。曾有研究者通過(guò)有限元模擬證實(shí)了這種螺旋的納米纖維結(jié)構(gòu)在高剪切變形下可以發(fā)生滑動(dòng)，放大形變，提高能量耗散，增大蛛絲的韌性；而分子鏈在納米纖維中的有序排列，可以提高纖維的強(qiáng)度[6]。

在分子水平上，富含丙氨酸的基序形成了β-折疊晶區(qū)，富含甘氨酸的基序形成了β-轉(zhuǎn)折、β-螺旋、α-螺旋和無(wú)定型基質(zhì)，納米尺度的β-折疊晶區(qū)嵌在由β-轉(zhuǎn)折、β-螺旋l、α-螺旋以及隨機(jī)線圈組成的無(wú)定形基質(zhì)中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，影響纖維的機(jī)械性能。β-折疊晶區(qū)沿纖維軸向排列，充當(dāng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，提高蛛絲變形過(guò)程中的強(qiáng)度，而α-螺旋以及隨機(jī)線圈在拉伸過(guò)程中伸展，促進(jìn)纖維的延展性。β-折疊晶區(qū)由蛛絲蛋白多肽鏈通過(guò)氫鍵自組裝形成，其尺寸對(duì)纖維的力學(xué)性能影響巨大。研究人員通過(guò)一系列分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了尺寸限制在幾納米內(nèi)的β-折疊晶區(qū)，能夠更有效地利用氫鍵的均勻剪切變形和耗散分子黏滑變形，使纖維具有更高的硬度、強(qiáng)度和韌性[7]。由上述內(nèi)容可知，蜘蛛牽引絲展現(xiàn)了一種多級(jí)結(jié)構(gòu)，包括核殼結(jié)構(gòu)、螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)以及β-折疊晶區(qū)交聯(lián)等，這些結(jié)構(gòu)是蛛絲具有優(yōu)異性能的重要原因。

人造蛛絲制備

雖然天然蜘蛛絲具有十分優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、良好的柔韌性和彈性，以及良好的生物相容性和生物可降解性等，但是由于蜘蛛同類相食的特性，不能大量養(yǎng)殖，因此，人造蛛絲的制備就顯得尤為重要?；谥亟M蛛絲蛋白制備人造蛛絲是一種有效的方式[8]。

2015年，有研究小組小組采用十字園蛛絲蛋白3（ADF3），在大腸桿菌中表達(dá)重組蛛絲蛋白。將凍干的重組蛛絲蛋白溶解并透析作為紡絲液進(jìn)行紡絲，得到的人造蛛絲纖維拉伸強(qiáng)度為370兆帕，韌性為183兆焦每立方米；2017年，該團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)了一種短的主壺腹腺蛛絲蛋白，該蛋白融合了角織蛛末端結(jié)構(gòu)域和圓織蛛核心結(jié)構(gòu)域，所制備的人造蛛絲纖維拉伸強(qiáng)度為282兆帕，韌性為144兆焦每立方米。

另外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)重組蛛絲濃度和分子量也會(huì)影響人造蛛絲纖維的力學(xué)性能。重組蛛絲蛋白分子量越高，所制得的人造蛛絲纖維力學(xué)強(qiáng)度越高，由分子量為284.9千道爾頓的重組蛛絲蛋白制備得到的人造蛛絲纖維拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到508兆帕，楊氏模量達(dá)到21吉帕。

一般來(lái)說(shuō)，重組蛛絲蛋白的濃度很難達(dá)到天然蛛絲蛋白的濃度（50%）。有研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種嵌合重組蛛絲蛋白，由來(lái)自Euprosthenops australis MaSp1可溶的氨基末端結(jié)構(gòu)域和來(lái)自大腹園蛛MiSp可溶的羧基末端結(jié)構(gòu)域組成，這種嵌合重組蛛絲蛋白濃度高達(dá)50%，紡出的纖維拉伸強(qiáng)度為162兆帕，韌性為45兆焦每立方米。與純蛛絲蛋白纖維相比，多組分復(fù)合纖維有望具有更高的機(jī)械性能和穩(wěn)定性。另有研究團(tuán)隊(duì)將蜘蛛牽引絲蛋白和絲素蛋白復(fù)合，制備的纖維韌性達(dá)到116兆焦每立方米。此外，將MaSp1靶向整合到家蠶絲腺中，顯著改善了蠶絲纖維的力學(xué)性能，尤其是拉伸性能，所得到的纖維斷裂強(qiáng)度為371.5兆帕，斷裂應(yīng)變?yōu)?2.2%。而其他學(xué)者將蛛絲蛋白基因插入絲素蛋白重鏈或輕鏈的內(nèi)含子中，由此產(chǎn)生的纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)1.2吉帕。

除了基于重組蛋白制備人造蛛絲外，科學(xué)家們通過(guò)模仿蜘蛛絲的多級(jí)結(jié)構(gòu)如交聯(lián)結(jié)構(gòu)、螺旋的納米纖維結(jié)構(gòu)以及核殼結(jié)構(gòu)等，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多性能優(yōu)異的人造纖維[9]。

結(jié) 語(yǔ)

蜘蛛絲作為一種天然生物蛋白纖維，具有高強(qiáng)、高韌、輕質(zhì)柔性以及生物相容性、可降解等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、軍事工業(yè)、材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)蜘蛛絲結(jié)構(gòu)和性能的深入研究，可以推動(dòng)人們對(duì)新型功能纖維材料的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出更多性能優(yōu)異、功能多樣的纖維材料。

[1]Rising A， Johansson J. Toward spinning artificial spider silk. Nature Chemical Biology， 2015， 11： 309–315.

[2]Yarger J L， Cherry B R， van der Vaart A. Uncovering the structurefunction relationship in spider silk. Nature Reviews Materials， 2018， 3（3）： 8000.

[3]Eisoldt L， Smith A， Scheibel T. Decoding the secrets of spider silk . Materials Today， 2011， 14（3）： 80-86.

[4]Sponner A， Vater W， Monajembashi S， et al. Composition and hierarchical organisation of a spider silk. Plos One， 2007， 2（10）： e998.

[5]Xu G， Gong L， Yang Z， et al. What makes spider silk fibers so strong？ From molecular-crystallite network to hierarchical network structures. Soft Matter， 2014， 10（13）： 2116-2123.

[6]Wang Q， Schniepp H C. Strength of recluse spider’s silk originates from nanofibrils. ACS Macro Letters， 2018， 7（11）： 1364-1370.

[7]Keten S， Xu Z， Ihle B， et al. Nanoconfinement controls stiffness， strength and mechanical toughness of β-sheet crystals in silk. Nature Materials， 2010， 9（4）： 359-367.

[8]Li J， Li S， Huang J， et al. Spider silk-inspired artificial fibers. Advanced Science， 2022， 9（5）： 2103965.

[9]Liu S， Cui Z， Liu Z， Zhao W， Zhou X. Research progress on spiderinspired tough fibers. Chinese Journal of Chemistry. 2023， 3401.

關(guān)鍵詞：蜘蛛絲 多級(jí)結(jié)構(gòu) 紡絲 纖維 人造蛛絲 ■