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科学家利用蜘蛛丝制造服装和医疗设备

时间:2017-11-08来源:科学网 点击: 百度搜索

【导读】如今,大肠杆菌、酵母菌、植物、蚕甚至山羊都能通过基因改造大量产出蜘蛛丝蛋白,尽管这些蛋白通常比蜘蛛自身的蛋白更短、更简单。公司已成功地将这些蛋白转入强韧程度足够高的线中......
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  如今,大肠杆菌、酵母菌、植物、蚕甚至山羊都能通过基因改造大量产出蜘蛛丝蛋白,尽管这些蛋白通常比蜘蛛自身的蛋白更短、更简单。公司已成功地将这些蛋白转入强韧程度足够高的线中,从而产生一些服装原型,包括阿迪达斯公司的跑鞋和北脸公司的轻便大衣。不过,迄今为止,公司仍在为大规模生产此类服装努力。

  对于蜘蛛丝的吹捧自18世纪10年代便开始了。当时,位于蒙彼利埃的法国皇家科学学会主席Franois Xavier Bon de Saint Hilaire在给同事的信中写道:“你将非常吃惊地听到,蜘蛛产生的丝和普通丝绸一样美丽、结实和光滑。”现代的吹捧则宣称,蜘蛛丝的强韧程度是钢铁的5倍,但仍然比橡胶灵活。如果它能被制成绳子,那么一张大尺度的网将能套住一架喷气客机。

  关键词是“如果”。研究人员在1990年首次克隆出蜘蛛丝基因,以期将其植入其他生物体来生产丝。蜘蛛无法像蚕一样被养殖,因为它们具有地盘性,并且会同类相食。如今,大肠杆菌、酵母菌、植物、蚕甚至山羊都能通过基因改造大量产出蜘蛛丝蛋白,尽管这些蛋白通常比蜘蛛自身的蛋白更短、更简单。公司已成功地将这些蛋白转入强韧程度足够高的线中,从而产生一些服装原型,包括阿迪达斯公司的跑鞋和北脸公司的轻便大衣。不过,迄今为止,公司仍在为大规模生产此类服装努力。

  一些管理人员表示,他们最终可能会改变策略。位于美国加州爱莫利维尔的初创公司Bolt Threads表示,其已经完善了在酵母菌中生长蜘蛛丝蛋白的方法并且每年有望产出数吨蜘蛛丝线。在密歇根州兰辛市,Kraig Biocraft实验室表示,其仅需要同越南的养蚕场进行最终谈判,便能制造出大量的蜘蛛丝和蚕丝混合物。目前,美国军方正在测试将其用于弹道学保护。“自上世纪90年代起,该领域取得了巨大进展。而当时,无论是在功能规模,还是商业规模上,大规模产出蜘蛛丝似乎都是遥不可及的。”瑞典皇家理工学院生物化学家My Hedhammar表示。

  然而,很多生物技术和研究观察者对大规模生产蜘蛛丝绳子和纤维的前景持谨慎态度。“目前,该领域尚未进展到这一步。”美国自然历史博物馆蜘蛛丝基因学家Cheryl Hayashi认为,“我们仍无法在商店的货架上看到这些东西。”

  人们的梦想是仿制出蜘蛛吐出来的7种丝中最强韧的那种:能让蜘蛛悬挂在网上并且含有7种蛛丝蛋白的牵引蛛丝。这些蛋白分子很大——每个最大有600千道尔顿(kDa),几乎是普通人类蛋白大小的两倍。这使其很难在经过基因改造的生物体内生产出来。公司大多选择生产50 到200 kDa的版本,因为它们更容易被表达。这些较小的蛋白产生的丝通常没有那么强韧和灵活。“从某个方面来说,随着蛋白变小,机械性能便会丧失。”犹他州立大学化学家Randy Lewis表示。Lewis团队最先克隆出蜘蛛丝基因。

  与此同时,研究证实,模仿蜘蛛将浓缩蛋白液纺成纤维的方式也很困难。目前,Lewis能将蜘蛛丝蛋白纺成不溶于水的纤维,并且消除了对昂贵且可能有毒的有机溶剂的需求。由瑞典皇家理工学院流体物理学家Daniel Sderberg领导的团队找到了一种利用木材和纸张中线性化的纤维素纤维来排列蜘蛛丝蛋白以形成纤维的方法。不过,在商业规模上将这些丝纺成纤维是另外一回事。“放大规模是一项巨大的挑战。”位于德国慕尼黑的蜘蛛丝初创公司AMSilk首席科技官Lin Rmer表示。

  蜘蛛丝蛋白已进入市场销售,但只是在化妆品和医疗设备领域,而非应用到高强度的纤维中。AMSilk在大肠杆菌中生长出蜘蛛丝蛋白并且将纯化的蛋白干燥,使其形成粉,或者将其混合进凝胶中,以便用作诸如保湿乳液等个人护理产品的添加剂。据称,蜘蛛丝蛋白能帮助乳液在皮肤上形成非常顺滑、透气的保护层。Rmer介绍说,目前公司每年会卖出好几吨纯化的蜘蛛丝蛋白成分。

  AMSilk还在完成一项包裹有该公司蜘蛛丝蛋白的硅胶乳房植入临床试验。由于这些蛋白含有高度重复的小氨基酸序列,因此据说它们几乎不会被免疫系统发现。这种包裹还能比聚四氟乙烯或者不锈钢更容易摆脱掉细菌。Rmer表示,这些优势应当会使公司利用蜘蛛丝包裹改善从人工髋关节到导尿管的诸多植入物。Kraig Biocraft实验室和位于斯德哥尔摩的Spiber技术公司表示,它们也正在开发类似应用。

  编辑点评:虽然已经有公司利用蜘蛛丝蛋白来制作服装与进行医疗试验,但想利用其他生物制造出像蜘蛛本身一样强韧和灵活的蜘蛛丝蛋白,并投入大规模的生产,都是巨大的挑战。然而随着越来越多的公司投入蜘蛛丝蛋白的研究中,相信会越来越接近大规模生产高质量蜘蛛丝蛋白的目标,让它用在更多的领域中,造福人类。

(责任编辑:Labtoday)
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