追“新”蠶寶，不“繭”單：能吐蜘蛛絲，還會仿生接骨！

出品：科普中國

作者：朱珈儀 繆慶蓉 張婕（重慶科技館）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

大千世界無奇不有，你能說出動物界有哪些能吐絲的寶貝？蠶、蜘蛛、毛毛蟲……如果這些都太過尋常，不知你是否聽說過會吐蜘蛛絲的蠶？沒錯，這可不是道聽途說。

蜘蛛絲是一種非常堅韌的材料，有“生物鋼材”之稱，兼具強(qiáng)度高（指材料抵抗變形和斷裂的能力）、韌性強(qiáng)（指材料抵抗沖擊的能力）的特性，在軍工、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣、需求大。但蜘蛛們喜歡獨居，遇到同類會相互殘殺，無法實現(xiàn)大規(guī)模的量產(chǎn)，且其本身產(chǎn)絲量不多，因此，想以天然方式實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)蜘蛛絲是行不通的。

既然蜘蛛拒絕合作，科學(xué)家們就把目光放到了會吐絲的蠶寶寶身上，想到了這個“改造家蠶”的辦法——讓“蠶吐蜘蛛絲”，從而實現(xiàn)蜘蛛絲的低成本、高產(chǎn)量獲得。

蠶和蠶繭

（圖片來源：veer圖庫）

家蠶是群居動物，一只蠶寶寶一生可以吐出1000到1500米長的蠶絲，產(chǎn)量不容小覷。此外，科學(xué)家經(jīng)過對家蠶基因以及消化系統(tǒng)的研究，研制出適合蠶寶口味的家蠶飼料，并建立了機(jī)械化、規(guī)?；?、自動化的養(yǎng)蠶工廠，不僅保證了飼養(yǎng)環(huán)境衛(wèi)生，產(chǎn)出高潔凈蠶絲，而且養(yǎng)蠶不再受季節(jié)和地域限制，比吃桑葉的蠶寶身體更健康，養(yǎng)殖成本更低，生產(chǎn)效率更高。

蠶的一生（生命周期）

（圖片來源：手繪原創(chuàng)圖）

怎樣讓蠶吐蜘蛛絲？

答案就是，科學(xué)家通過給蠶做“基因手術(shù)”，讓家蠶化身成“蠶寶寶蜘蛛俠”?；蚴茄芯啃Q絲性能的關(guān)鍵。我國一直重視家蠶基因組的研究工作，早在2003年，我國成為世界上首個獨立完成家蠶基因組框架圖繪制工作的國家，為實現(xiàn)家蠶基因的自由編輯奠定了堅實基礎(chǔ)，該項工作也是我國在相繼完成人類基因組1%測序工作、水稻基因組測序工作之后的第三項重要基因工程。

“基因手術(shù)”學(xué)名叫作“基因編輯技術(shù)”。我國科學(xué)家通過基因編輯技術(shù)，成功將蜘蛛的DNA編輯到蠶的體內(nèi)，使得普通的家蠶可以分泌出含有蜘蛛絲蛋白的蠶絲，從而大大提高蜘蛛絲蛋白的產(chǎn)量。

經(jīng)過“基因手術(shù)”的蠶，吐出了比蜘蛛絲本身韌性還高的蜘蛛絲，并生產(chǎn)出全球首個完整全長的蛛絲蛋白纖維，其拉伸強(qiáng)度達(dá)1299兆帕，韌性達(dá)319兆焦耳/立方米，其韌性比美國杜邦公司研發(fā)、可用于制作防彈衣的凱夫拉纖維的韌性高6倍。凱夫拉纖維，又稱Kevlar，是美國杜邦公司研制的芳綸復(fù)合材料，是一種高性能的有機(jī)纖維，其抗張強(qiáng)度是一般有機(jī)纖維的4倍，甚至達(dá)到了鋼鐵的5倍。

除了讓“蠶吐蜘蛛絲”，西南大學(xué)生物學(xué)研究中心通過基因操作手段，在蠶絲中加入金屬離子，成功提高了絲纖維的強(qiáng)度。

擁有不同家蠶基因就能取得不同的技術(shù)成果？

科學(xué)家通過調(diào)控蠶絲蛋白的合成和表達(dá)，進(jìn)而影響蠶絲的產(chǎn)量和質(zhì)量以及蠶絲蛋白的性質(zhì)和功能。

蠶絲蛋白分為絲素蛋白和絲膠蛋白。絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，是蠶絲的核心纖維部分，其含量約占蠶絲的70%～80%，通過對家蠶的絲素基因進(jìn)行改造或者對影響家蠶絲蛋白剪切力、金屬離子或水含量的基因進(jìn)行改造，就能改變絲素蛋白的性質(zhì)，獲得具有更高強(qiáng)度和韌性的蠶絲，用于制備具有超強(qiáng)機(jī)械性能的材料。

比如，科學(xué)家根據(jù)蠶絲纖維的韌性和強(qiáng)度特性，制作出“蠶絲牌”防彈衣、防毒面具、降落傘、捕魚網(wǎng)等。

不僅如此，蠶絲還進(jìn)軍到生物醫(yī)用領(lǐng)域，科學(xué)家利用家蠶絲腺作為“生物工廠”生產(chǎn)高附加值藥物蛋白，就可以獲得含量特殊成分（如生長因子、乳鐵蛋白、超氧化物歧化酶等）、具有促進(jìn)細(xì)胞增殖、抗氧化抗炎活性等特定功能的新型蠶絲，開發(fā)具有醫(yī)療用途的功能性蠶絲生物材料，如傷口敷料、人造皮膚、人工骨、人造血管材料等，就連“仿生接骨”也不在話下，具有巨大的應(yīng)用潛力和市場前景。

蠶絲結(jié)構(gòu)橫切圖

（圖片來源：原創(chuàng)手繪）

蠶絲在蠶寶肚子里如何預(yù)防打結(jié)？

蠶絲的形成過程是蠶通過絲腺分泌液體蠶絲蛋白，這些液體蠶絲蛋白在特定條件下凝固成固態(tài)的蠶絲，從而形成繭。這個過程涉及多個步驟和復(fù)雜的生物化學(xué)機(jī)制，是蠶自然生理過程的一部分，確保了蠶絲能夠連續(xù)不斷地從蠶體內(nèi)吐出，而不發(fā)生打結(jié)或糾纏的情況。

簡而言之，蠶絲在吐出來之前是液態(tài)，到體外才變?yōu)楣虘B(tài)。所以不存在“在肚子里打結(jié)”的問題。這里說的絲腺是家蠶吐絲前體內(nèi)最大的器官，也是超高效的“蛋白質(zhì)合成工廠”。絲腺細(xì)胞數(shù)從娘胎里出來就是不變的，大約有1000個。它只進(jìn)行細(xì)胞肥大生長，不發(fā)生細(xì)胞分裂。蠶一旦進(jìn)入5齡，即成蟲階段，其全身的代謝系統(tǒng)都開始向合成絲的方向轉(zhuǎn)移，以驚人的高效率合成絲蛋白。

家蠶絲腺解剖圖

（圖片來源：西南大學(xué)）

2014年11月20日，西南大學(xué)家蠶基因組生物學(xué)國家重點實驗室通過敲除Fib-H基因獲得空絲腺，使蠶吐出人工合成蠶絲蛋白，這在國內(nèi)外尚屬首次。

近年來，西南大學(xué)蠶絲科學(xué)與技術(shù)研究團(tuán)隊采用前沿的蠶絲生物材料設(shè)計理念與加工技術(shù)，利用蠶絲蛋白優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性、促細(xì)胞增殖、抗氧化等生物學(xué)優(yōu)勢，開發(fā)特殊功能性蠶絲基復(fù)合材料、蠶絲美容護(hù)膚品。

功能性蠶絲醫(yī)用材料

（圖片來源：西南大學(xué)）

如采用智能自動化養(yǎng)蠶技術(shù)生產(chǎn)純凈無污染的蠶繭，生產(chǎn)具有生物降解性和顯著修復(fù)功效的蠶絲骨釘、蠶絲支架，以及多級工藝純化出易被皮膚吸收的小分子量蠶絲蛋白，保留了蠶絲蛋白的保濕、抗菌、抗炎、抗氧化等多重功效，生產(chǎn)了具有延緩衰老的功能性蠶絲護(hù)膚品等，在醫(yī)療、美容等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

未來，蠶絲仍是科學(xué)家做大量研究的對象，讓我們一起期待新的進(jìn)展吧！

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專家團(tuán)隊：陳玉琳 胡文波（西南大學(xué)生物學(xué)研究中心）