Matter | 蚕吐蜘蛛丝—制备比防弹衣纤维坚韧6倍的超级材料

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随着时间的推移，先进材料在提高生产力和推动人类文明进步方面起着关键的作用。虽然近年来聚合物纤维科学技术领域取得了重大进展，但对真正高强度和超韧高级纤维的探索仍在进行中。不幸的是，目前的理论表明，工程材料的拉伸强度和韧性是相互排斥的¹，导致商业合成纤维在这两种性能之间妥协。因此，解开结合纤维韧性和强度的潜在科学挑战对于开发满足日益增长的高强度和超韧性工业需求的超级材料是至关重要和不可避免的。

仿生学领域从自然中汲取灵感，促进了先进材料和工具的有效发展。蚕丝和蜘蛛丝等天然聚酰胺纤维，尤其是后者，长期以来一直是材料科学家的灵感来源²。此外，蚕和蜘蛛的丝纤维，既具有高强度又具有特殊的韧性（不像在工程材料中观察到的那样，韧性和强度往往是相互排斥的），可以作为破译韧性和强度本质的优秀研究材料。

蜘蛛丝是包括商业合成纤维在内的最坚固的纤维之一，由于蜘蛛的同类相食的性质，使通过饲养大规模生产丝绸变得困难。此外，由于复制天然丝和蜘蛛丝中的保护性“角质层”的固有挑战，人工蜘蛛丝和再生丝纤维的机械性能维持时间明显短于天然同类纤维。

家蚕的丝腺和蜘蛛的丝腺表现出非常相似的物理化学环境³。因此，通过利用家蚕的高密度养殖来生产蜘蛛丝，可以克服实现低成本、大规模生产蜘蛛丝所涉及的工程障碍。此外，由家蚕生产的蜘蛛丝保留角质层，使其在较长时间内保持其机械性能，从而促进蜘蛛丝纤维的商业化。然而，即使使用转基因家蚕生产蜘蛛丝，关于丝纤维的强度和韧性的基本科学问题也无法回避。这个基本问题一直是阻碍先前利用转基因蚕的研究超越天然蜘蛛丝综合机械性能的重要因素。只有解开强度和韧性的本质，并以此为指导，通过蛛丝蛋白在蚕丝腺内的“定位”，才能使蛛丝蛋白适应蚕丝腺，利用转基因蚕实现低成本、大规模生产的真正商业化。

2023年9月20日，东华大学孟清实验室与西南大学夏庆友实验室合作，在Matter期刊上发表了题为High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms的论文。研究者提出了一个理论框架，阐明了决定纤维韧性和强度的基本因素。随后，采用同源建模引入了一种新的丝的最小结构模型，该模型适用于解释和预测蚕丝和蜘蛛丝的力学性能差异。之后，研究者利用CRISPR-Cas9介导的蚕丝纺丝技术，成功生成了完整的全长蜘蛛丝纤维。该项研究为纤维韧性和拉伸强度的基本本质提供了有价值的见解，对于指导同时具有高强度和超韧性的合成商用纤维的生产具有重要意义。

视频 S1 在拉伸过程中，尼龙分子之间的氢键和其他非共价键反复断裂和形成

当纤维受到拉伸时，拉伸力沿纤维轴传播并通过分子主链传递。在弹性变形阶段，分子的相对位置保持不变。在这一点上，纤维内部的分子内非共价相互作用和分子间的非共价相互作用，共同对抗施加的力。在塑性变形阶段，分子的位置发生相对变化。在拉伸力的作用下，分子链相对滑动，导致分子间反复断裂并形成非共价键，如氢键。这种现象被称为“分子间滑动摩擦力”，作为作用力的抵消力，增强了纤维内部能量的整体耗散（即韧性）（视频S1、S2和S3，其中红色圆柱形物体代表非共价键，如氢键，蓝色代表分子骨架）。研究者认为纤维韧性是一个动态过程，其本质包含在平均单分子分子间非共价键能密度 ( ASM-INCBED ) 的概念中。增加纤维内分子链的长度（即分子间的相对滑动距离，它决定了分子间滑动摩擦力的作用距离）和/或增加分子间的非共价键能密度（代表分子间滑动摩擦力）都有助于ASM-INCBED的提升。

视频 S2 在拉伸过程中，Kevlar分子之间的氢键和其他非共价键反复断裂和形成

抗拉强度是指材料承受施加的拉伸力或应力的能力。因此，纤维内部产生的抵抗施加力的反作用力定义了抗拉强度的本质。研究者认为纤维的抗拉强度是一个静态时刻，取决于INCBED，特别是在特定时刻对应的分子间静摩擦力。然而，重要的是要注意，超过临界值的过度“分子间摩擦力”，材料分子主链内的共价键可以承受，会阻碍分子之间的相对滑动。在拉伸过程中，这种阻碍导致分子链内的共价键断裂，从而使材料具有强度但表现出脆性。这些非共价键产生的分子间摩擦力超过了聚酰胺纤维分子主链所能承受的临界值。因此，分子链内的共价键断裂，导致其脆性（视频S2）。

视频 S3 在拉伸过程中，蜘蛛丝纤维之间的氢键和其他非共价键反复断裂和形成

蜘蛛丝以其氢键和其他非共价键的最佳组合，达到理想的分子间摩擦力密度。这种独特的分子相互作用之间的平衡有助于其高强度和卓越的韧性（视频S3）。根据INCBED和ASM-INCBED理论，在达到临界值之前增加分子间摩擦力可以同时提高拉伸强度和韧性。关键在于保持分子间摩擦力略低于材料分子主链内共价键所能承受的临界值，从而使材料在基于其性能的最高强度下获得最大的韧性。超过分子间摩擦力的临界值会导致材料变脆，从而解释了以往研究中观察到的强度与韧性之间的内在矛盾。

蚕和蜘蛛的丝纤维由亲水性N端 (NT) 非重复区、疏水性重复区 (R) 和亲水性C端 (CT) 非重复区组成。重复区域负责β-片状纳米晶体的形成，这对丝纤维的机械性能有很大影响。蜘蛛通过蛛丝蛋白的NT和CT的二聚化来实现重复区域的有序排列和β-纳米晶体片的形成。因此，蛛丝蛋白中NT和CT的缺失阻碍了正常的组装和成丝。此外，蜘蛛丝蛋白可以在丝腺中以高浓度储存，这是由于在NT和CT的相互作用下，通过规则的分子预聚集形成液晶状态。

先前的研究表明，家蚕蚕丝中Fib-H的NT区采用反平行的同四聚体构象（图1A）。然而，使用SWISS-MODEL蛋白结构同源性建模，研究者发现Fib-H的CT区形成短的三转α-螺旋，并以单体形式存在（图1B）。据报道，Fib-H的CT区通过分子间二硫键与Fib-L形成共价键，形成单分子（图1C）。因此，研究者推测，在蚕的进化过程中，CT与蜘蛛丝蛋白的生物学功能可能由于未知的原因而丧失。然而，为了弥补这种损失，Fib-L进化为CT的替代品，能够共价附着在Fib-H的短CT区域。如果假设是正确的，Fib-L理论上也应该形成一个反平行的同四聚体。为了验证该猜测，研究者利用MultiFOLD Server基于其主序列模拟了Fib-L的四元结构。预测结果证实Fib-L反平行同四聚体的形成(图1D)。

图 1 家蚕蚕丝的分子模型示意图

此外，还有研究表明，蚕丝中Fib-H、Fib-L和p25的摩尔比为6:6:1，表明蚕丝纤维中存在Fib-H₆Fib-L₆P251 ( H₆L₆P25₁ ) 的最小结构模型。然而，分析显示Fib-H和Fib-L的N端都形成了同四聚体。因此，研究者提出了一个修正的蚕丝基本单元模型，由三种由二硫键连接的Fib-H₄Fib-L₄异聚物组成，以及两个P25糖蛋白分子的存在。具体来说，Fib-H₁₂Fib-L₁₂P25₂ ( H₁₂L₁₂P25₂ ) 作为蚕丝的最小基本单位出现（图1E）。此外，蚕丝中存在11个180°的环转，导致在径向方向上形成许多分子内氢键和其他非共价键。当受到轴向拉伸时，这种结构安排减少了分子间氢键形成和断裂的发生，导致与蜘蛛丝相比，INCBED和ASM-INCBED更低（视频S4）。因此，尽管蚕丝具有更高的分子量和更大比例的β-片纳米晶体，但与蜘蛛丝相比，蚕丝在纤维轴上的拉伸强度和韧性较低。

视频 S4 在拉伸过程中，蚕丝纤维之间的氢键和其他非共价键反复断裂和形成

基于上述模型，研究者展开了一系列验证实验。研究者首先通过CRISPR-Cas9介导的蚕丝中全长蜘蛛丝的产生验证了INCBED和ASM-INCBED理论。结果表明，基于H12L12P252结构模型利用完整的全长MiSp序列和MiSp在转基因蚕丝腺内的定位是蚕丝纤维具有高强度和韧性的关键因素。随后，研究者通过对丝纤维的应力—应变行为进行线性拟合分析，验证了INCBED预测的有效性。最后，研究者通过强制卷绕验证INCBED和ASM-INCBED理论的预测：增加丝纤维中β-折叠纳米晶的比例可以提高其抗拉强度和韧性。结果进一步证实了INCBED和ASM-INCBED理论的准确性。

总的来说，研究者提出了关于韧性和强度基本性质的理论（INCBED理论和ASM-INCBED理论）。随后利用生物信息学分析，引入了蚕丝的最小结构单元的最新模型（H₁₂L₁₂P25₂）。通过利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，成功地将Fib-H的中间重复区域完全替换为MiSp，从而证实了INCBED理论和ASM-INCBED理论。此外，研究者还验证了基于这些理论的两个预期现象，提供了令人信服的证据证明其有效性。

研究者首次获得了能够纺织蜘蛛丝的基因编辑蚕，所得到的蚕丝纤维表现出卓越的特性，包括高拉伸强度（1299 MPa）和非凡的韧性（319 MJ/m³）（视频S5）。这一突破性成就有效地解决了阻碍蜘蛛丝商业化的科学、技术和工程挑战，将其定位为商业合成纤维如尼龙的可行替代品，并为生态文明的发展做出贡献。

视频 S5 在拉伸过程中，氢键和其他非共价键之间的更强的假设Kevlar纤维与增强的主链反复断裂和形成

原文链接

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00421-6

参考文献

参考文献

[1] Ko F.K. Wan L.Y. 6 - Engineering properties of spider silk. in: Bunsell A.R. Handbook of Properties of Textile and Technical Fibres. Second Edition. Woodhead Publishing, 2018: 185-220

[2] Li J. Li S. Huang J. Khan A.Q. An B. Zhou X. Liu Z. Zhu M. Spider Silk-Inspired Artificial Fibers. Adv. Sci. 2022; 9: e2103965

[3] Andersson M. Chen G. Otikovs M. Landreh M. Nordling K. Kronqvist N. Westermark P. Jörnvall H. Knight S. Ridderstråle Y. et al. Carbonic anhydrase generates CO2 and H+ that drive spider silk formation via opposite effects on the terminal domains. PLoS Biol. 2014; 12: e1001921

供稿 | 肖媛

审稿 | 谭佳鑫

责编 | 囡囡

排版 | 可洲

微信号：FRCBS-THU

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