无比坚硬有弹性的蜘蛛丝是一种轻量化、生物可降解的材料
蜘蛛丝硬度高、有弹性，是一种轻量化、生物可降解的材料，它具有无数潜在的生物医学应用。然而尽管人类养蚕的历史已经上千年，从陆地甚至同类相食的蜘蛛身上获取丝，但这证明是不实用的。希望获得蜘蛛丝机械特性的实验室常常使用它的分子结构作为他们研发仿生丝的模板。
加拿大新斯科舍省达尔豪斯大学的一支研究人员小组关注于七种蜘蛛丝中最强硬的一种：葡萄状腺丝(aciniform silk)，蜘蛛常用葡萄状腺丝将误入蜘蛛网的猎物包覆。在过去几年，他们逐渐揭开了葡萄状腺丝的蛋白质结构并开始理解它的结构和功能之间的联系。他们将最新发现展示在2月7日至11日美国马里兰州巴尔的摩召开的第59届生物物理学协会会议上。
创造人造蜘蛛丝的第一步在于复制组成天然蜘蛛丝的蛋白质，在这项研究里则是让这类蛋白质在大肠杆菌里重组表达。葡萄状腺丝的关键蛋白质AcSp1包含三部分。这个蛋白质的大部分是两百个氨基酸的重复序列。在蛋白质链两个末端包含著名为N端和C端的尾巴。
达尔豪斯大学的简？雷尼（Jan Rainey）带领的科研小组使用了核磁共振（NMR）光谱学以高分辨率分析AcSp1重复序列的结构，从而产生了据称第一个蜘蛛丝重复单元结构序列。当他们将更多重复结构相连，他们了解到这些重复单元的行为是模块化的，也就是说每一个结构相当于一个单独的单元，而非与其它单元相连形成新的结构。这样的模块化具有重要的意义：它意味着试图产生人造丝蛋白质的科学家们可以在不牺牲整个蛋白质功能的前提下延长蛋白质的长度。此外，它还意味着研究人员可以关注于先将更小更可靠的蛋白质组成部分最优化，然后再将它们相连形成更大的功能性蛋白质。
创造人造丝的下一步是旋转蛋白质形成长链。蜘蛛有特殊的“工具”完成这一任务，但寻找到合适的实验室以精确再造这个过程是创造仿生丝面临的最大挑战之一。然而，研究人员在C端发现了这一纤维形成过程的线索。
他们发现，尽管在某些情况下丝蛋白没有C端也可以连接纤维，但促进纤维形成的区域——由具有C端的蛋白质形成的纤维——往往更坚硬更牢固。此外，研究人员还发现将葡萄状腺丝C端替换成其他类型蜘蛛丝的C端将改善纤维形成。这项发现表明可以潜在操控C端以调整纤维的强度和韧性。
“现在我们知道C端是可替换的，”研究人员徐玲玲（Lingling Xu）说道。“这在创造重组体时遇到表达问题时尤为有用。例如，我们可以选择一个具有更好蛋白质表达水平、溶解度或者稳定性的C端。”
人造蜘蛛丝距离商业可行仍有一段距离，但更好的理解蜘蛛丝结构和功能之间的关系使得科学家们距离实验室内创造人造丝更近一步。“我们未来的目标是基于对每个终端作用的理解，人工合成具有可调机械特性的纤维。”徐说道。