人造蜘蛛腺体能像自然界一样纺出可伸缩的蜘蛛丝

通过该装置进行生物纺丝有望实现可扩展的蜘蛛丝生产 芬尼根等人/(CC By 4.0)

日本理化学研究所可持续资源科学中心（RIKEN Center for Sustainable Resource Science）和理化学研究所开拓性研究集群（RIKEN Cluster for Pioneering Research）的研究人员采用新方法实现了这一壮举，他们构建了一个人造丝腺体，旨在反映蜘蛛体内发生的物理和化学变化。

这并不容易，由于难以复制这些复杂的生物过程，因此制造人造蜘蛛丝极具挑战性。生物聚合物纤维由具有高度重复序列的大型蛋白质组成，这些序列被称为蜘蛛丝。β片是蛛丝纤维中的分子子结构，必须将其排列整齐，才能赋予蛛丝令人印象深刻的特性。

除此之外，人造腺体还需要精确的微流体机制，使蛋白质自我组装成丝状纤维，不仅看起来像，而且行为也像真的一样。

"在这项研究中，我们试图利用微流体技术来模拟天然蜘蛛丝的生产过程，这涉及到少量流体在狭窄通道中的流动和操控，"理化学研究所领导这项研究的 Keiji Numata 说。"事实上，可以说蜘蛛的丝腺就是一种天然的微流体装置。"

这个人造腺体类似于一个不起眼的长方形盒子，上面有沿其长度方向延伸的凹陷通道，它是在为复杂的过程创造适当的环境，使其像自然界一样发挥作用的过程中反复试验的结果。其中一个错误是使用力量推动蛋白质通过微流体系统；它需要负压来拉动脊髓素溶液通过该装置。

不过，一旦克服了这一障碍，研究小组就能制造出β片排列整齐的连续丝纤维，从而使这种材料具有类似大自然的特性。

研究报告的共同作者、资深科学家阿里-马来（Ali Malay）说："令人惊讶的是，一旦建立并优化了不同的条件，微流体系统就会变得如此强大。纤维的组装是自发的，速度极快，可重复性极高。重要的是，纤维呈现出天然丝纤维中明显的分层结构。"

"高度可重复性"是一个关键属性；成功的复制存在可扩展性问题，而由于后勤和生物原因，养殖蜘蛛几乎是不可能的。低成本、高效率地生产蚕丝可以彻底改变破坏环境的纺织业，其生物兼容性使其成为缝合线、人工韧带和结缔组织手术等多种医疗用途的理想候选材料。

Numata 说："理想情况下，我们希望对现实世界产生影响。为此，我们需要扩大纤维生产方法的规模，使其成为一个连续的过程。我们还将利用多项指标评估人造蜘蛛丝的质量，并在此基础上进一步改进。"

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。