細菌產出蜘蛛絲

2020-12-05 中國數字科技館

細菌生產出的蜘蛛絲。（圖片來源：Christopher Bowen）

蜘蛛有著工程師夢寐以求的能力。它們的絲像鋼鐵般強韌，有彈性、無毒並且可生物降解。但是蜘蛛不易養殖。每個蜘蛛的產絲量都很有限，並且有一些還會互相殘殺。幾十年來，科學家試圖仿製蛛絲，以用於運動裝備和防彈背心的製造，但他們合成的纖維都不夠好。最近，一個研究團隊利用細菌生產出了與天然蛛絲一樣強韌且有彈性的纖維。之前，研究人員曾將蜘蛛造絲的DNA移植到細菌、蠶、植物甚至山羊體內，試圖得到大批量的絲。然而目前為止，得到的最好的絲的強度也只有蜘蛛絲的一半。蜘蛛絲之所以如此強韌，是因為其中重複的DNA序列編碼出了成百上千重複胺基酸纏繞摺疊成的大型蛋白質分子。華盛頓大學聖路易斯分校的能源、環境及化學工程教授張福中（Fuzhong Zhang）說：「通常自然界會排斥重複的DNA，並儘可能改造這樣的結構。」雖然蜘蛛找到了如何穩定大型DNA的訣竅，但這種重複的結構單元在其他生物中會被剪斷或修改。

為了克服這個問題，張福中和同事修改了蜘蛛產絲的DNA。攜帶這種修改過的DNA的細菌，會產生帶有特殊標籤的絲蛋白。把兩個蛋白分子連接在一起，形成長鏈後，標籤會脫落。這樣得到的蛋白比最大的天然絲蛋白更大。研究人員將這些蛋白製成粉，並將之與溶液混合，得到的混合液可以紡成絲，這種絲的強度可與天然蛛絲媲美。相關研究已經發表在《生物大分子》（Biomacromolecules）雜誌上。

張福中表示合成絲可作為尼龍等石油制纖維的可持續替代品。但聖地牙哥州立大學化學與生物化學教授格雷戈裡·赫蘭德（Gregory Holland）表示，這種新方法仍然面臨成本問題，因為用到的紡絲液具有腐蝕性且成本高昂。

撰文：普拉奇·帕特爾（Prachi Patel）

翻譯：馬曉彤

引進來源：科學美國人

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