蜘蛛吐絲既強(qiáng)又韌重要機(jī)制破解

蜘蛛絲為何兼具強(qiáng)度和韌性？日本科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)工具模擬了蛛絲從吐絲器官中有序噴出的過(guò)程，解密了這一自然現(xiàn)象背后的機(jī)制，為人類模擬蜘蛛吐絲過(guò)程，并在未來(lái)創(chuàng)造超韌可持續(xù)材料提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究發(fā)表在最近出版的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

蜘蛛絲形成初期是液體形式，但不到一秒，這種粘稠液體狀的蛋白質(zhì)就發(fā)生轉(zhuǎn)變。在離開蜘蛛身體時(shí)，被稱為蜘蛛絲蛋白的物質(zhì)會(huì)自我折疊并交織在一起，在不受任何外力引導(dǎo)的情況下，構(gòu)建出高度有組織的結(jié)構(gòu)。

日本理化學(xué)研究所可持續(xù)資源科學(xué)中心的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家和生物化學(xué)家阿里·馬來(lái)說(shuō)：“這種自組裝過(guò)程可以制造出具有獨(dú)特性能的材料?！?/p>

多年來(lái)，科學(xué)家一直在試圖模擬蛛絲，希望創(chuàng)造出超強(qiáng)韌并可持續(xù)使用的材料。為此，他們一直在研究是什么化學(xué)誘因把儲(chǔ)存在絲腺中的液體變成了蛛絲。

此次，研究人員提出了一種新方法，在實(shí)驗(yàn)室里用化學(xué)工具模擬了蛛絲從吐絲器官中有序噴出的過(guò)程。他們發(fā)現(xiàn)，吐絲的一個(gè)關(guān)鍵步驟是，蜘蛛要把蛛絲蛋白從包裹在絲腺內(nèi)的水緩沖液中分離出來(lái)——這一步會(huì)使蛋白質(zhì)高度濃縮；隨后，大量涌入的酸性物質(zhì)促使蛋白質(zhì)安全地互鎖。

瑞典卡羅林斯卡研究所專家安娜·瑞斯（未參與本實(shí)驗(yàn)）表示，蜘蛛絲在離開蜘蛛身體時(shí)必須經(jīng)歷蛻變。當(dāng)蜘蛛絲蛋白還在腺體中時(shí)，它們必須以“極高濃度”的液體形式懸浮，幾乎像牙膏一樣粘稠。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，液體狀的蛛絲蛋白在移動(dòng)過(guò)程中的脫水是這種自我組裝的先決條件。進(jìn)一步研究表明，時(shí)機(jī)和效率都是吐絲過(guò)程的關(guān)鍵要素。如果蛛絲太早變硬，就會(huì)阻塞蜘蛛的腺體；時(shí)間太晚，蜘蛛可能只吐出不成形的液體。

這篇論文用簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室模型取代真實(shí)的蜘蛛。阿克倫大學(xué)的蜘蛛絲研究員安吉拉·阿麗西亞-塞拉諾（未參與本實(shí)驗(yàn)）表示，這項(xiàng)有意義的研究讓人們一窺蜘蛛吐絲背后的重要機(jī)制與過(guò)程。“我們?cè)吹竭^(guò)很多這個(gè)過(guò)程的開始和結(jié)束，但沒(méi)有看到兩者之間的重要過(guò)程?！?/p>

總編輯圈點(diǎn)：

蜘蛛不是科學(xué)家，卻能吐出兼具強(qiáng)度和韌性的蛛絲，令人類科學(xué)家都嘆為觀止。這應(yīng)該歸功于大自然的鬼斧神工，是漫長(zhǎng)的自然選擇促進(jìn)蜘蛛不斷進(jìn)化，從而擁有了適應(yīng)生存環(huán)境的神奇能力。對(duì)于類似科學(xué)奧秘的破解和模擬，屬于仿生學(xué)范疇，相關(guān)研究對(duì)于推動(dòng)現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大有助益。

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)