蜘蛛如何将“丝浆”纺成自然界最坚韧的材料

通过探究其分子结构，生物学家正在揭示一团无序蛋白质如何变成坚韧而富有弹性的纤维。

引言

蜘蛛被从墙上弹落时，不会下落很久。在几毫秒内，它就把一团蛋白质纺成坚固的攀爬工具。借助一根纤细闪亮的丝线，蜘蛛把自己拉回去。

这根丝比凯夫拉（自行车轮胎和防弹背心中的合成纤维）更坚韧，也比钢更强。它柔韧，并且与人体生物相容。科学家梦想把蜘蛛丝制成高性能材料，用于安全带、头盔、海军材料，甚至用于帮助修复脑细胞的支架。但在实验室中制造蜘蛛丝的努力一直未能成功，因为研究人员对蜘蛛如何从其丝腺把“丝浆”——一种蛋白质、水和盐的液体混合物——纺成非凡固体的过程了解得还不够。

圣地亚哥州立大学的化学家和光谱学家Gregory Holland说，绘制这一过程背后的分子机制图谱“确实是该领域的圣杯”。最近，他领导的研究描述了液体蜘蛛丝浆中的分子如何在变成固体丝纤维之前，重组为称为凝聚体的半液体液滴。其结果是对蜘蛛丝工厂的原子级观察。

这些发现也为凝聚体的形成提供了实用指南；自然界反复利用凝聚体来组织分子，以完成遗传过程并制造出强度惊人的生物材料。

未参与这项研究的麦吉尔大学生物材料科学家Matthew Harrington说：“越来越清楚的是，[凝聚体是]一种被一系列不同生物使用的常见策略。”通过解析自然界如何利用凝聚体，科学家希望重新创造出一些最坚固的材料。

丝工厂

蜘蛛是不可思议的自然工厂。它们最多能纺出七种丝，而且同一只蜘蛛通常能纺出其中几种。葡萄状腺丝把昆虫包裹起来以备日后食用。橡胶状的鞭状腺丝加固捕获螺旋以吸收冲击。拖牵丝把蛛网和蜘蛛固定在墙上。每种丝都有不同的特性，这取决于物种，并与其分子如何组装有关。同一种丝在不同物种之间也可能有略微不同的特性。

1907年，科学家发现蜘蛛丝由长而模块化的蛋白质构成，后来被命名为蛛丝蛋白，它们与胶原蛋白和角蛋白同属纤维蛋白类。半个多世纪后，X射线开始揭示这种纤维的基本结构。这种丝由称为β折叠的扁平蛋白质片层构成，这些片层嵌入在较无序的非结晶基质中。

21世纪初，研究人员在检查溶液中的蛛丝蛋白时，没有看到大多数蛋白质中那种有组织、固定的结构。相反，蛛丝蛋白具有内在无序区域，这些区域飘动不定，形成并重新形成各种形状。研究人员随后开始解开这团无序蛋白质如何组织成坚固固体纤维的谜团。

一个早期理论认为，掺杂液中的蛋白质开始像晶体那样彼此排列，同时保持动态，处于一种被称为“液晶”的过渡状态。另一种观点认为蜘蛛丝类似蚕丝，蚕丝中的蛋白质组织成胶束，即小球体，随后压缩成丝纤维。

随后，在2007年，研究人员注意到实验室中经工程改造的蛛丝蛋白形成了类似液体的团块。很快，这类结构在现代生物学中变得无处不在。2009年，马萨诸塞州海洋生物实验室和德国马克斯·普朗克研究所的科学家在受精的蠕虫卵中发现了聚集的RNA分子液滴。这些就是凝聚体——悬浮在溶液中的浓缩蛋白质的液体或凝胶状气泡。尽管已被观察了一个多世纪，凝聚体开始被视为生命过程中分子过程的关键组织工具。

研究人员意识到，凝聚体浓缩分子，将它们预先组织成灵活的微环境，而不像固体那样将它们锁定在原位。“因为它们是流体，所以具有可塑性，”Harrington说，“因此你（即生物学）可以将它们塑造成任何你想要的形状。”

更多研究表明，活细胞到处都在使用凝聚体，用于组织DNA、调控基因表达和包装蛋白质。在宏观尺度上，它们帮助物种构建有趣的材料。它们帮助将鱿鱼喙塑造成硬度渐变的部件。它们形成强效黏合剂，使贻贝能够附着在岩石上，还形成海洋水泥，沙堡蠕虫用它来建造保护管。

“这一直是生物学中的一个热门领域，”Holland说。

尽管研究人员早在十多年前就描述过实验室制造的蛛丝蛋白中形成类似凝聚体的团块，但直到2020年Keiji Numata——京都大学的一位生物材料化学家——提出蜘蛛丝在从液体掺杂液向固体丝线转变过程中经历凝聚体阶段，它们才被视为凝聚体。

凝聚体通过“液-液相分离”形成，在这一过程中，液体中的分子可以开始彼此弱相互作用，容易形成键并断裂，这是由pH值、化学物质或温度变化等刺激引起的。Numata提出，蜘蛛丝腺中段壶腹部的磷酸盐可能引发这些相互作用。但直到当时Holland实验室的研究生Hannah Johnson决定一探究竟，才有人描述了驱动其形成的原子尺度机制。

黑寡妇蜘蛛内部

2023年和2024年期间，每隔几个月就有一包雌性黑寡妇蜘蛛抵达圣地亚哥州立大学化学系。这些蛛形纲动物通体乌黑，带有一抹红色，培育着一种对人类可能造成疼痛的强效毒液。除了这点小麻烦，它们是研究蜘蛛丝的良好对象。它们的拖牵丝蛛丝蛋白是所有蜘蛛中表征最充分的之一。而且它们全年可得，不像某些蜘蛛只在特定季节结网。

在两周的时间里，Johnson 共进行了六次操作。每次历时一小时，她和几名学生一起对黑寡妇蜘蛛进行“抽丝”，这些蜘蛛事先已被二氧化碳熏至昏迷。科学家们用镊子轻轻地将丝线从蜘蛛的纺器中拉出——纺器是腹部上纤维伸出的喷口——然后通过一个带旋转马达的小瓶将其卷绕收集起来。

“那些能产出大量蛛丝的蜘蛛是我们的最爱，”Johnson 说，“但我对那些不愿配合的叛逆者情有独钟。”在整个过程中，研究人员给黑寡妇蜘蛛喂食了一种氨基酸混合物（Johnson 称之为“蛋白质奶昔”），其中富含特定的同位素，以便他们在实验室中检测。

核磁共振（NMR）波谱法可以绘制分子的结构。它发出射频来扰动原子内部的原子核，原子核随后会以该元素特有的方式运动。Johnson 对液态的蜘蛛丝液以及从蜘蛛壶腹中收集的凝聚物都使用了核磁共振。与此同时，当时在 Holland 实验室做博士后研究（现为加州大学洛杉矶分校研究员）的 Kevin Chalek 绘制了固态纤维中蛋白质的原子结构。

“我们试图弥合蛋白质在蜘蛛体内和体外时所发生的变化之间的鸿沟，”Chalek 说，“这些是相同的蛋白质，[那么]它们怎么会如此不同？两者之间究竟发生了什么？”

Johnson 观察到，当她向液态蛛丝液中加入磷酸盐以启动凝聚过程后，蛛丝蛋白固有无序区域中两个氨基酸（精氨酸和酪氨酸）的侧基开始彼此发生弱相互作用。这种相互作用排出了水，使无序的蛋白质组织成一种更致密的凝胶状物质——凝聚物。这种相互作用在固态纤维中依然存在，表明这些氨基酸充当“分子贴纸”，引导无序蛋白质进入凝聚物，并最终形成纤维。

团队中的其他人使用 AlphaFold（一种模拟蛋白质结构的人工智能工具）和分子动力学软件，通过计算来预测这一过程。研究人员知道，蛛丝的强度来自最终纤维中坚固的β-折叠蛋白质结构。该团队的模拟显示，这些氨基酸恰好排列在β-折叠的弯折处，表明它们有助于引导蛛丝蛋白形成最终结构。

“理解这些侧基如何相互作用，以及它们如何形成超越各部分之和的结构……真是太棒了，”未参与该研究、且与 Gregory Holland 无亲属关系的谢菲尔德大学生物学家 Chris Holland 说。而且他们使用的是真实的蜘蛛，而非合成丝，“这非常出色。”

新加坡国立大学生物学家、未参与该研究的杨代文表示，他们的发现是“直接证据”，证明凝聚体可以由天然蛛丝形成，这“相当重要”。

他们对凝聚体的描述并未排除先前关于蜘蛛丝形成的理论。此前曾证明天然蜘蛛丝中存在胶束的格雷戈里·霍兰德提出，胶束、凝聚体和液晶这三者都可能是同一相变的不同阶段。在液体纺丝液中形成的胶束可防止杂乱无序的蛋白质聚集和缠结。蛋白质也可以在从纺丝器以高度有序的纤维形式被排出之前，预先组装成凝聚体，或排列成液晶等结构。但格雷戈里·霍兰德表示，实际过程可能比依次发生“更加动态和异质”，其中若干结构会在混合物中同时形成。

哈林顿对此表示赞同。“我认为这些并不相互排斥，”他说，“在处理的不同阶段，可能会发生不同类型的相变。”

尽管如此，关于这些相互作用如何在这条“工厂流水线”上叠加，仍有更多需要了解之处。可能还有其他重要的氨基酸相互作用，研究人员尚未能详细绘制出来。他们还希望寻找除磷酸盐之外启动这一过程的触发因素。“可能还有一系列其他因素在驱动这些蛋白质的结构变化，”克里斯·霍兰德说，“我们尚未弄清所有的开关。”

更优材料

完整描述这一复杂的纺丝过程需要付出大量努力，但回报可能巨大。与为获取蚕茧而被饲养了4000多年的蚕相比，蜘蛛产生的可用丝量很少。制作一件丝绸衬衫需要数千只蚕；而需要约100万只蜘蛛，部分原因是它们不产生易于加工的茧。还有一个更实际的原因：它们同类相食的天性使其难以饲养，因为每只蜘蛛都需要单独的容器。

在实验室中生产蜘蛛丝可能带来一系列强度高且柔韧的新型材料。合成纤维凯夫拉是目前我们最坚韧的材料，但它需要在非常高的温度和酸性条件下加工。“而在这里，你有一种像蜘蛛或贻贝这样的生物，”哈林顿说，“它基本上是在海水或普通空气的环境条件下制造出一种更优的材料。”

人类尚未弄清楚如何与这些生物相匹敌。当科学家在实验室中合成蜘蛛丝，使用精确的氨基酸序列来构建蛛丝蛋白时，所得丝线的强度不如天然蛛丝。“那里发生了一些我们也难以模仿的事情，”查莱克说。他认为，额外的强度必定来自蛋白质β折叠之外的某种东西，源于丝结构其他方面，或者可能来自蛛丝蛋白中经常被排除在合成丝溶液之外的部分。

“我认为一旦我们真正理解了那些蓝图，”克里斯·霍兰德说，“我们就能用丝做更多的事情。”

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