大数据创造的生物新材料，合成蜘蛛丝正在走进人类的衣住行

Original 宋冉生辉 2022-04-27

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20 世纪 30 年代，化工巨头 Dupont（杜邦）从石油中提炼并合成了一种全新的合成纤维物质 —— 尼龙，这是化学工业划时代的革命性成果。尼龙由石油中的化学物质组成，它是第一种真正的人造纤维，被广泛应用于服饰制作中，一定程度上革新了纺织品的面貌。

然而，正如硬币的正反面一样，尼龙给我们带来便利的同时，也带来了一系列的环境污染问题。尼龙等合成聚酯纤维包含有毒的化学物质，会对水系统造成严重污染，甚至污染物或者有毒化学物质会流入海洋，破坏海洋生态环境。

因此，服装业也被视为全球仅次于石油业的最二大污染源，其中尼龙等合成纤维面料是最可恶的污染物，快时尚巨头们则是环境污染的最大推波助澜者。

图 | 服装污染（来源：公开资料）

“环保” 和 “时尚” 似乎无法共生。

近来年，随着可持续理念的发展和环保观念的深入人心，国际社会加大环保力度，各国也相继发布相关环保政策，比如说国际生态纺织品研究和检测协会用来监督纺织品的生态性的标准 ——Oeko-TexStandard 100 开始变得日趋严格完善。在此大背景下，消费者更青睐符合环保和可持续发展理念的服饰，一定程度上给时装业和纺织品制造商带来了压力，倒逼时装业开始寻找更加环保的解决方案。

对于环保和时尚共生这一难题，合成生物学似乎可以给出最优解。

总部位于日本的新材料公司 Spiber 就是这一领域的先行者，其在 2016 年推出了全球第一款合成蜘蛛丝材料。基于天然蜘蛛丝的灵感，不依赖石油化学原料，Spiber 开发了一种全新的蛋白质材料 —— 利用微生物发酵工艺酿造蛋白质。这种材料号称可以与天然蜘蛛丝性能相媲美。

Spiber 透露，这种合成蜘蛛丝材料的韧性是相同尺寸钢的四倍，弹性可与尼龙相媲美，耐热性表现良好，温度高达 300 摄氏度，同时这种材料清洁无害并可实现生物降解。

现在，这种合成蜘蛛丝材料已经被作为毛衣、夹克等原材料，用这种蜘蛛丝制成的衣服，柔软、耐穿、环保可生物降解，能兼顾消费者保护环境和时尚消费的需求，实现了 “环保” 和 “时尚” 的和谐统一。

在 2019 年，Spiber 与 GOLDWIN 合作以 The North Face 品牌推出了全球首款由合成蜘蛛丝制成的户外夹克 Moon Parka，当时 Spiber 官宣这是全球第一件由微生物发酵产生的蛋白质材料制成的外套，一时间受到了时尚行业的广泛关注。

合成蜘蛛丝掀起下一代材料革命？

Spiber 由日本庆应义塾大学的研究生 Kazuhide Sekiyama 等人创办，他们将日本庆应义塾大学尖端生命科学研究所研发的人工合成蜘蛛丝技术进行产业化落地，目前已经拥有了 14 年制丝历史。

这种人工合成蜘蛛丝技术，并不是直接使用蜘蛛产出高强度的蛋白质材料，而是以微生物作为生产工具，用其生产蛋白质。这就好像平时酿酒发酵，通过微生物把一些原材料转化成酒精一样。

基于这一技术，Spiber 开发出了一种新型蛋白质材料 ——Brewed Protein™，这是一种人工合成、非天然、可调控的全新蛋白质材料。那么，这种神奇非天然的蛋白质材料又是如何得来的呢？

首先，研究人员收集并分析了目前自然界中存在的各天然蜘蛛丝蛋白的 DNA 序列，之后利用生物信息学的方法，借助于大数据，得出一种自然界中不存在，但是性质可控的蛋白质基因；

之后，将该非自然的全新蛋白质基因转入到微生物中，就可以利用微生物，像酿造啤酒一样为咱们发酵出合成蛛丝蛋白了，然后这些合成蛋白织成纤维材料；

这种蛋白质材料，既继承了天然蜘蛛丝的韧性和强度，同时又保留了纤维的舒适性、耐用性和可持续性。据了解，这是一种非常环保、安全的新型合成纤维。

图 | Brewed Protein™ 制备流程（来源：生辉根据公开资料整理）

开发出这种新型蛋白质材料的 Spiber 也受到了投资方的认可，根据 Crunchbase 的数据，Spiber 共完成了 14 轮融资，其中日本纤维业巨头丰岛（Toyoshima）就是其投资方之一。

这种蛋白质材料可以被加工成如丝绸般光滑的细丝纤维，或者像羊绒般柔软吸汗的细纱。此外，Brewed Protein™ 还能加工成类似动物皮毛或者是皮革替代品，以及龟甲或者与动物龟甲相似的树脂。

Brewed Protein™ 材料能产生与丝绸、羊绒甚至动物皮毛相似的效果，可以算得上一种全新的替代材料。

Brewed Protein™ 的最大的亮点在于其环保效益，由天然纤维原料发酵而来，不再依赖以石油化学为主要原料，且不会产生或分解为对环境有害的微塑料。Spiber 在官网称，与尼龙等来自石油的人造纤维不同，所有蛋白质纤维都是可再生材料，能够生物降解。Brewed Protein™ 材料对海洋生态影响更小，同时也可以减少与使用动物纤维相关的温室气体排放等问题。

图 | Brewed Protein™ 蛋白质材料（来源：Spiber 官网）

Spiber 称：“Brewed Protein 新型可生物降解材料可以使服装行业摆脱对石化和动物材料的需求，并提供可持续的解决方案。”

Spiber 还成立了专门的可持续发展团队、可持续发展的物料生产流程和业务结构、内部生物降解性测试功能和环境影响评估系统。

Brewed Protein™ 的环保效益使其在可持续发展时代大放异彩，这种全新材料能否开启下一代材料革命？Brewed Protein™ 需要经得住市场考验、以及获得消费者认可，价格和产能在其中扮演重要角色。

2020 年 11 月，日本运动服饰制造商 Goldwin 推出了一款采用 Brewed Protein™ 制成的毛衣（The Sweater），其中 Brewed Protein™ 含量约为 30%，售价为 800 美元（5184 元），而 Spiber 与 Goldwin 推出的 Moon Parka 户外冲锋衣定价为 15 万日元（9368 元）。尽管其定价相比成本已经偏低，但是价格仍然不 “亲民”。

图 | Moon Parka 户外冲锋衣（来源：Spiber 官网）

而降低价格的一大路径就是降低合成蜘蛛丝制造成本，这是合成蜘蛛丝面临的最大挑战之一。一家美国的功能性材料研发公司 Bolt Threads 方面曾表示，与使用大肠杆菌相比，使用酵母成本更低。他们希望能将合成蜘蛛丝的成本能与高档羊毛或自然丝绸等高级面料持平。对于消费者来说，价廉物美能吸引更多的消费者，合成蜘蛛丝的价格要与其价值相匹配。如果价格过于昂贵，消费者则更倾向于选择价格更实惠的替代品。

产能供应是合成蜘蛛丝能否广泛应用的又一关键要素，这对于 Spiber 来说也是头等大事。经过 15 多年的研发，现在 Spiber 处于批量规模化生产的过渡转型期。在内部，Spiber 于 2019 年开始在泰国罗勇府建立新工厂，该工厂面积是其日本总部试验工厂的 100 倍。预计将于 2021 年正式运作并投入商业生产，将负责蛋白质发酵和纯化工作，预计年产量将达到几百万吨。Spiber 媒体发言人 Ayana Nakajima 称，泰国工厂有望将 Brewed Protein™材料的产量增加 100 倍。

图 | Spiber 泰国工厂（来源：Spiber 官网）

在外部，Spiber 与美国食品加工巨头 ADM（Archer Daniels Midland）牵手，Spiber 将充分利用 ADM 现有的工厂和发酵技术方面的深厚积累，最终将其产能提高 1000 倍。2020 年底，Spiber 完成 250 亿日元新一轮融资，用于其与 ADM 的联合项目 —— 建立位于美国爱荷华州的大型 Brewed Protein™ 聚合物生产工厂。

Spiber 还与日本时装设计师品牌 Sacai、高定设计师品牌 Yuima Nakazato（中里唯马）等进行合作。（注：Sacai 是日本中生代设计师品牌中的佼佼者）

通过与众多设计师、多家顶级公司达成合作，Spiber 正在推动蛋白质生物材料进入新的发展阶段。

多领域应用潜力

Spiber 的首席执行官兼创始人 Kazuhide Sekiyama 曾在 TEDxTokyo 演讲中指出：化学纤维几乎用于我们周围的所有事物，并支持我们的生活。但是，如果有一天石油消耗殆尽了，我们将会失去生产纤维的资源，到那时我们该怎么办？我们认为，如果发明具有与化学纤维同等甚至更高性能的蜘蛛丝，那将是一次真正的创新。这样的蜘蛛丝可以应用于多种产品中，可能将会改变世界。

可以说 Spiber 对蛋白质生物材料进行了一次全新产业化落地和应用。Kazuhide Sekiyama 认为，这种蛋白质材料在时尚界以外的应用也具有巨大潜力，包括在汽车制造、医学等领域，比如说可以用作车辆的轻质部件、建筑材料、人造头发。他说：“我们目前优先考虑的领域是服装和汽车…… 但是，正在与数十家企业以各种方式进行联合研究。”

不止于服饰， Spiber 一直在探索将这种可持续发展的新型材料应用于多种场景。

Brewed Protein™ 在高性能户外装备场景的应用正是迄今吸引最多关注的领域。2019 年 2 月，Spiber 和 GOLDWIN 宣布共同研发一种可用于滑板和长板的新型竹子材料和 Brewed Protein™ 复合材料。

图 | Spiber 和 GOLDWIN 共同开发的滑板材料（来源：Spiber 官网）

基于在蛋白质技术方面的积累，Spiber 于 2019 年 3 月与生发品牌 Aderans 达成合作，共同研发最新的假发材料，这种材料有望在 2 年内实现商业化。

2016 年，Spiber 的合成蜘蛛丝材料已经用于雷克萨斯 Kinetic 概念车座椅，车座椅于当年在巴黎车展上首次独立展出亮相。椅座框架 “内饰” 包括一个蜘蛛网图案的网状结构，该网的线从靠背的中心呈放射状展开，网兜紧密贴合身体，并分散负载；靠背采用了合成蜘蛛丝 Brewed Protein™ 材料，弹性更大。

图 | 雷克萨斯 Kinetic 概念车座椅（来源：Spiber 官网）

不过合成蜘蛛丝并非是唯一的可替代新材料，合成生物学为新材料的研发提供了更多可能性。现在，一些研究人员正在探索利用真菌菌丝体合成类皮革材料生成皮包、服饰、纸张和绝缘泡沫材料；Bolt Thread 则同时开发了多种新型合成材料，包括菌丝体合成材料、合成蜘蛛丝等环保材料。这些替代材料既满足了消费者的环保需求，又满足了对于皮质服饰和配饰消费需求。

参考资料：