蜘蛛丝合成记

文/ 张唯诚

在自然界里，有一些天生的纺织能手，蚕和蜘蛛就是其中翘楚。丝其实是一种蛋白质，在蚕和蜘蛛的腹中是一种胶状物。当蚕和蜘蛛吐丝时，那胶状物便经由一种特殊的管道变成了丝，形成了固体的纤维。蚕和蜘蛛吐丝的目的是不一样的：蚕吐丝是为了结茧，那是保护它们的“房子”，而蜘蛛吐丝是用丝结网捕获猎物。由于猎物通常会疯狂地挣扎，所以蜘蛛丝就需要有很高的强度、韧性和黏性，这决定了蜘蛛丝要比蚕丝结实得多。

在电影中，蜘蛛侠依仗蜘蛛丝飞檐走壁，穿行于建筑物之间，场景虽然夸张，却把蜘蛛丝的优良特性形象地表现了出来。研究表明，蜘蛛丝的强度是钢的20倍，而且极轻、极有韧性，无毒无害，能自然降解，是大自然中非常难得的优异材料。

假若蜘蛛也像蚕一样易于饲养，那人们就可以获得大量天然的蜘蛛丝，然而遗憾的是，蜘蛛和蚕很不一样，它们生性好斗，绝不和同类“共享地盘”，大批饲养蜘蛛是很难的，加上它们的吐丝量也很少，所以天然的蜘蛛丝难以大量地获得。科学家只好另辟蹊径，那就是模仿蜘蛛吐丝的本领研制出能大量生产的人工合成蜘蛛丝来。

揭秘丝蛋白

瑞典生物学家安娜·里辛专门研究生物体内至关重要的化学现象，由此对合成蜘蛛丝产生了浓厚兴趣，因为这种优秀的材料在医学上很有发展前景。要想通过模仿蜘蛛吐丝的行为获得人工合成的蜘蛛丝，第一步工作就是要了解丝蛋白。

在蜘蛛丝中，每个丝蛋白分子都像一段拥有三个部分的长链，其中最长的部分由几个片段重叠而成，它们之间的连接很像弹簧，这使蜘蛛丝拥有出色的弹性和拉力。丝蛋白分子的首尾还各有一部分与其他分子相连，这又使丝蛋白能够形成很长的丝纤维。

丝蛋白存在于一种亲水的溶液中，它们作为腺体的一部分储存在蜘蛛的腹中。里辛等人从南非收集了一些蜘蛛，人们称这种蜘蛛为“捕鱼蛛”（属盗蛛科，生性凶猛，以水面浮游生物、昆虫为食，也擅长捕食小鱼）。她和同事们研究了这种蜘蛛的丝和它的基因，弄清了蜘蛛基因代码中哪一部分是与制造丝蛋白相关的。接下来，他们运用一种名为“聚合酶链式反应”的技术复制了一些基因片段。

合成丝蛋白

现在，里辛等人要将其得到的基因材料植入细菌的DNA中，以便让细菌产生蜘蛛丝。不过，研究人员遇到了一个麻烦，那就是他们制造的基因材料不能很好地溶于水中。

与此同时，我国的科学家也在做着同样的研究，他们使用的蜘蛛是一种亚洲蜘蛛，名为大腹园蛛。于是两组科学家联合起来设计了一种混合的蛋白。科学家从亚洲蛛和非洲蛛的蛋白分子上分别截取了最易溶解于水的部分以合成新的蛋白。蛋白的前端来自非洲蛛，后端来自亚洲蛛，中间则是两层来自非洲蛛的重叠部分。

科学家引导细菌生产这种混合的丝蛋白，最后终于得到了能溶解于水的蛋白溶液，类似于蜘蛛腹中的腺体。

令人神往的应用前景

接下来面临的问题就是如何将这些丝蛋白织成纤维。在蜘蛛吐丝的时候，丝蛋白溶液的pH值是下降的，也就是说，溶液中的酸度会越来越高。为了获得类似的效果，科学家设计了很细的管子，尖端很小，丝蛋白溶液在压力的作用下会从管中喷出以形成射流，射流喷进一个装有酸性水溶液的烧杯中，它们的pH值就下降了。在这个过程中，每个丝蛋白分子在通过细管时齐聚在了一起，并连接了起来，溶液变成了纤维，人们把合成的丝线从烧杯中拉出来，最后卷到了线轴上。至此，人们终于在实验室中合成了蜘蛛丝。

目前合成蜘蛛丝虽然在实验室中取得了成功，但要进行批量生产还有许多工作要做。据说合成丝已达到了自然丝强度的1/3，这已经是很不错的成绩了，但也说明改良的空间还很大。

作为一种新型材料，合成蜘蛛丝将会在很多领域里发挥重要作用。在医学上，蜘蛛丝可以成为很好的缝合线、人工韧带、眼角膜等。由于良好的可降解性，它们还可用于制作供干细胞生长的模型、人体缺损的组织。例如，损坏的骨骼或肌肉可以在这种模型上得到修复。在未来，合成的蛛丝材料还可以用于制造汽车、飞机、防弹衣、滑翔翼、传感器、各种磁性和导电原件，等等。事实上，很多时候人们甚至不用把丝蛋白纺成纤维，它们本身就大有用途了，例如作为涂料、凝胶剂、薄膜和黏合剂，等等。可以预测，合成蜘蛛丝将作为一种前景广阔的新颖材料大显身手。