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蜘蛛丝（spidersilk）在仿生学里是响当当的明星材料，与其他仿生材料所模拟的本尊（如贝壳、骨、软体动物等）不同，蜘蛛丝具有很强的机械性能和延展性能，是一种非常坚韧的材料；并且环保易降解，可以再生利用。也正因如此，蜘蛛丝在高水平期刊中的出镜率也相当高，概括来说，研究主要集中在蜘蛛丝结构与功能的关系、应用创新以及如何仿生实现人造蛛丝。想象一下，如果能够量产蜘蛛丝，那么就有希望替代目前的化石来源材料，在纺织、汽车、建筑、军事等各个领域发挥巨大的作用，为社会带来一场深刻的变革。
图片来源：DefenceOne
那么，为什么不能像养蚕一样，通过高密度养殖蜘蛛来收集蜘蛛丝呢？这是因为蜘蛛大部分是肉食性，同类之间也会互相攻击，很难饲养。即便能够解决饲养问题，一种蜘蛛可以分泌很多种蛛丝，性能不同，要想实现单一种类蛛丝收集非常困难。
要想实现人造蛛丝，我们首先就要了解蜘蛛是怎么产丝的。
自然界中，蜘蛛体内的蜘蛛丝以液态的“丝液”形式存在，富含各种不同的氨基酸。其中最主要的氨基酸单元为甘氨酸（G，42%）与丙氨酸（A，25%），其他次要成分则有谷氨酸（E）、丝氨酸（S）、亮氨酸（L）、缬氨酸（V）、脯氨酸（P）、酪氨酸（Y）以及精氨酸（R）。“丝液”透过蜘蛛腹部各种丝腺的挤压形成蜘蛛丝，这就是一个拉丝的过程。大部分蜘蛛都可以拉出数种不同的蛛丝用于结网、捕食、缠茧等不同的用途。也就是说，蜘蛛丝的组成、结构与性能受纺丝时的瞬时环境及丝功能的影响。
蜘蛛丝腺、丝纤维与其丝心蛋白的结构。图片来源：ChineseJournalofZoology
蜘蛛在拉丝的过程中，部分蜘蛛丝蛋白形成了结晶形态，部分则形成非晶型态。科学家们通过各种表征手段对蜘蛛拖牵丝的结晶区与非结晶区的二级结构进行了解析，发现（注：以下，Q为谷氨酰胺，X为其他任意氨基酸，(GA)n则表示按“甘氨酸-丙氨酸”的顺序重复组成的长链，依此类推）：
1.结晶区
蜘蛛丝结晶区主要是由An或(GA)n氨基酸基序构成的沿丝纤维长轴方向排列的反平行β-折叠构成，肽链分子间相互以氢键结合，形成排列整齐、密集的片层结构，分子间作用力强大，这赋予了蜘蛛丝以高强度和高模量。
2.非结晶区
非结晶区是由无定型结构和微孔构成，β-折叠片层之间的富含甘氨酸的(GGX)n或(GPGXX)n或(GPGQQ)n基序构成了无定型区。(GGX)n基序可能形成螺旋结构，而(GPGXX)n或(GPGQQ)n基序形成类似β转角的弹性螺旋结构，这些结构赋予了蜘蛛丝良好的延展性和弹性。
蜘蛛丝之结构。在典型的蜘蛛丝中，紧密的结晶β折叠被松散的非结晶次级结构所连结。图片来源：ScientificAmerican
由此进行总结，蜘蛛丝蛋白包含了结晶与非结晶结构，前者增加了蜘蛛丝的强度，后者则增加了蜘蛛丝的延展性。而在常见的材料中，强度和延展性常常是不可兼得的。这种独特的二级结构使蜘蛛丝具有超强的韧性，使包括凯夫拉（制作防弹背心的材料）在内的所有人造纤维、橡胶均相形见绌。
目前，中国研究蜘蛛丝的科研机构并不多，起步也比较晚。主要有复旦大学的邵正中教授课题组和苏州大学的潘志娟教授课题组，研究集中在蜘蛛丝、人造蜘蛛丝的结构和性能以及应用等基础研究。另外，北京航空航天大学的江雷教授、东华大学的孟清教授等对蜘蛛丝也有一些研究。而国外的一些科研机构和公司则很早看到了人造蛛丝背后的商机，建立了工厂，实现了年产量以吨为单位的生产。下面就来看看这些在人造蜘蛛丝领域走在世界前沿的机构及个人。
1.犹他州立大学教授RandyLewis
在美国怀俄明州的一个农场里，有一群非比寻常的山羊。从外表上看它们和其他山羊并没有区别，但是科学家们可以从它们的奶中提取出蜘蛛丝蛋白（what?）。这不是科幻小说，而是犹他州立大学的RandyLewis教授利用转基因方法在生产人造蛛丝。Lewis团队将金球网蜘蛛表达蛛丝蛋白的基因加入到了山羊的乳腺细胞中，从而在转基因山羊的奶中提取出蛛丝蛋白。但是从羊奶中提取出蛛丝非常复杂，需要精炼很多次，进行洗涤，最后冷冻干燥成为蛋白粉末。经溶剂溶解后纺织成丝。或许由于这个过程过于复杂，Lewis后续也尝试了转基因家蚕，转基因苜蓿草，以及转基因微生物来生产蛛丝蛋白。但都没有关于这些方法的成果报道。事实上，Lewis团队从年便开始研究蜘蛛丝蛋白的基因序列，试图了解蜘蛛是怎么使液体蛋白转化成坚韧的蛛丝，以及蛛丝的韧性与蛋白结构的关系。他们尝试了很多种基因来使蛛丝更加坚韧，虽然并没有达到自然中的最强效果，但是强度已经超过钢铁以及凯夫拉，弹性也已经堪比橡胶。去年12月份，据犹他州立大学新闻网站报道，犹他州立大学就转基因山羊合成蛛丝的技术已经与美国国防部签订了万美元的合同。或许不久的将来，防弹背心的原材料将由人造蛛丝替代凯夫拉。
图片来源：Listverse
2.美国克莱格生物实验室（KraigBiocraftLab）
克莱格生物实验室是美国的一家著名的全球性生物技术开发公司，该公司曾因开发出能吐蛛丝的蚕宝宝而享誉全球。他们生产第一代蛛丝的方法是往蚕的基因谱图里随机插入蜘蛛基因，这些蚕吐出的丝的性能远强于正常的蚕丝，但比起真正的蜘蛛丝还差很远。经过几代的发展，该公司现在有两款明星产品，一款叫“兽丝”，一款叫“龙丝”。其中兽丝已经具有了注册商标，因具有优异的物理性能而进入了市场。而龙丝还在申请阶段。兽丝和龙丝都是由蛛丝蛋白和蚕丝蛋白的独特结合而成的。今年七月份他们与美国陆军开始对“龙丝”进行实测，如果性能达到一定标准，他们也将会签订万美元的合同。这种材料目前的生产成本每公斤不到美元。而且，这一数字可能会进一步下降。但试图制造质量相似的蛋白丝的竞争对手所面临的生产成本则接近于每公斤美元，KraigBiocraft在人造蛛丝领域的领先程度可见一斑。
转基因家蚕破茧成蛾。图片来源：克莱格生物实验室
3.Spiber公司
Spiber的名字来自Spider（蜘蛛）和Fiber（纤维）的组合，这家公司就是年为制造蛛丝而诞生的，虽然年轻，但目前在开发人造蛛丝领域已经处于领先地位。这家公司选取的蜘蛛丝蛋白基因的宿主是微生物。微生物繁殖速度快，并且通过直接破碎微生物提取蛛丝蛋白的方法也比较简单。但是在微生物的繁殖阶段，生产蛛丝蛋白的基因容易遭到破坏，无法表达出目标蛋白，这也致使很多研究机构认为蜘蛛丝无法人工生产而放弃。但是Spiber公司通过不断的尝试，最终发现了有效的基因排列、蛋白质分子排列、并且针对不同的基因排列使用不同的微生物组合等方法，为微生物作为基因宿主培养蛛丝蛋白打开了突破口。像RandyLewis教授一样，Spiber公司将获得的蛛丝蛋白溶解，然后纺织成丝。事实上，溶解蛛丝蛋白这一步，很难选出有效的溶剂。因为蛛丝蛋白里面含有大量的非极性氨基酸（丙氨酸和甘氨酸），这使蛛丝蛋白不溶于水相，而且可能只能溶于强非极性的有机溶剂，但这种溶剂一般对人体有毒。但无疑，他们最终都找到了合适的溶剂。现在，Spider公司可以根据需要对蛛丝的强度和伸缩性进行调整。年，Spiber公司与THENORTHFACE（北面）合作推出了基于这项技术的派克大衣MoonParka。据了解，这款大衣目前还在展示阶段，并没有开始对外发售。
MoonParka。图片来源：SpoonTamago
蜘蛛纺丝靠的是自然的进化，人造蛛丝靠的则是科技的不断优化。更确切的说，靠的是基因层面的操控编辑技术以及化学和力学领域的不断摸索。小小的蜘蛛丝，或许正在改变着世界。
参考文献：
1.Angew.Chem.Int.Ed.,,DOI:10.2/anie.
2.ChineseJournalofZoology,,49,-
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