科学家揭开了黑寡妇蜘蛛制造高强度钢纤维的神秘面纱

图为北美洲的黑寡妇蜘蛛。图片由圣地亚哥州立大学Gregory Holland提供

西北大学和圣地亚哥州立大学的研究人员揭开了黑寡妇蜘蛛如何将蛋白质转化为钢纤维这一复杂过程，这有可能帮助科学家创造出高强度的合成材料。

黑寡妇蜘蛛及寡妇蜘蛛属的物种原产于北美、欧洲、亚洲、澳大利亚、非洲和南美洲的温带气候，生产的蜘蛛丝是具有特殊性能的材料。

科学家们早就知道了构成蜘蛛丝蛋白的主要氨基酸序列、纤维和网的结构。之前的研究认为在通过蜘蛛纺丝装置漏斗形成丝纤维之前，蜘蛛丝蛋白作为纳米尺寸的两亲性球形胶束（水溶性和非水溶性团簇）等待被纺成丝。然而，当科学家尝试仿照这一过程人工合成钢纤维时却无法制造出与天然蜘蛛丝纤维强度和性能相媲美的合成材料。

西北大学的研究人员Nathan C. Gianneschi表示: 知识差距就在那里，我们完全不明白在丝腺体或纺丝管的纳米尺度上发生了什么？蛋白质转化为纤维时设计的储存，转化和运输过程也要研究明白。”

蜘蛛丝是在蛛形纲动物腹部专门的蛋白质腺体内产生的，经过一系列复杂的化学过程才能将蛋白质转化为刚性的纤维。研究小组用了两种最先进的成像技术来研究蜘蛛的蛋白质腺体，它们分别是核磁共振（NMR）光谱和电子显微镜。研究小组能够更加密切地看到内部丝纤维起源的蛋白质腺，从而揭示出一种更为复杂、层次分明的蛋白质组合。

该研究于10月22日在美国国家科学院院刊(PNAS)上在线发表。

在圣地亚哥州立大学用核磁共振(NMR)光谱和磁共振成像（MRI），然后在西北大学进行电子显微镜（EM）检测。研究小组用先进的检测技术相结合更加密切地看到内部丝纤维起源的蛋白质腺，揭示了更复杂，更分层的蛋白质组装。

这种“改良的胶束理论”得出的结论是，蜘蛛丝蛋白质不像以前认为的那样以简单的球形胶束开始，而是作为复杂的复合胶束开始。这种独特的结构可能需要用来制造黑寡妇蜘蛛生产的钢纤维。

“我们现在知道，黑寡妇蜘蛛丝是由分子纳米组件(直径200至500纳米)从蜘蛛腹部储存的蛋白质中纺出的，而不是从单个蛋白质或简单球形颗粒的随机溶液中分离出来的，”Holland说。

Holland说：“换句话说，像这样的材料在实际可以应用在各个方面，包括军事、急救人员和运动员的高性能纺织品；电缆桥架及其他建筑用建筑材料；环保的塑料替代品;生物医学应用。”

国际纳米技术研究所的副所长、辛普森查询研究所和西北部生命过程化学研究所的成员Gianneschi说：“我们不能夸大对材料和工程的潜在影响，如果我们能够完全人工模拟这种自然过程来大规模生产人造纤维。简单地说，这将是变革性的。”