蜘蛛絲是自然界中最強和最堅韌的材料之一，與一些韌性甚至比防彈凱夫拉更大的鋼合金一樣堅固。蜘蛛絲無與倫比的強度和韌性組合使這種蛋白質基材料成為許多應用的理想選擇，從超薄手術縫合線到防彈服裝。不幸的是，由於蜘蛛的領土和自相殘殺的性質，它們的絲綢不可能大規模生產，因此實際應用還沒有實現。
圖片來源：視覺中國科學家們已經能夠製造出某種形式的合成蜘蛛絲，但卻無法設計出包含大部分（如果不是全部）天然絲綢特性的材料。直到...位於聖路易斯華盛頓大學的工程與應用科學學院的研究人員已經設計出了生產生物合成蜘蛛絲的細菌，其性能與所有重要措施中的天然對應物相當。他們發現了一些令人興奮的未來可能性。
這項於8月20日星期一發表在Biomacromolecules上的新研究表明，蜘蛛絲的拉伸強度和韌性與其分子量保持正相關 - 分子越大，絲綢越強 - 即使在合成絲綢中也是如此幾乎是之前記錄保持者的兩倍。
「人們已經知道這種相關性，但只知道較小的蛋白質。我們發現即使在這麼大的尺寸下，仍然存在很好的相關性，」工程與應用科學學院副教授張福忠說。
創造生物合成蜘蛛絲的最大歷史挑戰之一就是創造了足夠大的蛋白質。挑戰是如此之大，事實上，它需要一種全新的方法。
圖片來源：視覺中國「我們從其他人做過的事情開始，製作一個基因重複的序列，」張實驗博士生克里斯多福鮑文說。在蜘蛛序列中模擬DNA序列，該序列負責產生絲蛋白。理論上，序列的重複次數越多，產生的蛋白質就越大。
然而，在DNA序列達到一定大小後，「細菌無法處理它，它們將序列切成小塊，」Bowen說。在以前的努力中已經多次遇到過這個問題。為了解決這個長期存在的障礙，Bowen及其合作者在絲綢DNA上添加了一個簡短的基因序列，促進了所得蛋白質之間的化學反應，將它們融合在一起形成一種更大的蛋白質，比以前產生的更大，以前淨化過。
「我們製造的蛋白質基本上是以前任何人能夠做到的兩倍，」鮑文說。他們的絲蛋白鏈是556 kDa。以前，最大的生物合成蜘蛛絲蛋白質為285 kDa。即使是天然的拉絲絲蛋白也往往在370 kDa左右，儘管有一些更大的異常值。
Bowen及其合著者隨後將其特別大的生物合成絲蛋白紡成約為人類頭髮直徑十分之一的纖維並測試其機械性能。這種生物合成絲是第一個複製天然蜘蛛絲的方法：拉伸強度（斷裂纖維所需的最大應力），韌性（斷裂前纖維吸收的總能量），以及其他機械參數如彈性模量和延展性。
展望未來，張的實驗室正致力於定位生物合成絲纖維，以取代工業中使用的無數石油基合成纖維。
「我們將繼續致力於通過更容易處理，減少所需化學品的數量，提高穩健性和效率，使該過程更具可擴展性和經濟性，」張說。
張集團還計劃進一步探索新方法的局限性。除了生產第一種生物合成絲纖維以完全複製天然蜘蛛絲的性能外，他們的工作強烈表明，如果能夠生產更大的蛋白質，這些纖維的強度和韌性將繼續增加。