蜘蛛如何将“丝液”纺成自然界最坚韧的材料

通过探测其分子结构，生物学家正在揭示一团无序结构蛋白如何变成坚固而柔韧的纤维。

引言

蜘蛛从墙上被撞落时，并不会坠落太久。几毫秒内，它就能把一锅蛋白质纺成坚固的攀爬装备。蜘蛛利用一根纤细、闪光的丝线，将自己重新拉回墙上。

这根丝比用于自行车轮胎和防弹背心的合成纤维凯夫拉更坚韧，也比钢更坚固。它柔韧，且与人体具有生物相容性。科学家梦想将蜘蛛丝制成高性能材料，用于安全带、头盔、海军用材料，甚至用于帮助修复脑细胞的支架。但在实验室制造蜘蛛丝的尝试一直不尽如人意，因为研究人员还不了解蜘蛛如何将“丝原液”——一种由蛋白质、水和盐组成的液体混合物——从丝腺纺成非凡的固体。

厘清这一过程背后的分子机制，对该领域而言“真的是圣杯”，圣迭戈州立大学化学家兼光谱学家Gregory Holland说。最近，他主导的一项研究描述了液态蜘蛛丝原液中的分子如何重组为称为凝聚体的半液态液滴，随后再变成固态丝纤维。研究结果从原子层面揭示了蜘蛛的“丝线工厂”：原子级视角。

这些发现也为凝聚体的形成提供了实用指南；自然界曾反复利用凝聚体来组织分子，以参与遗传过程并制造强度惊人的生物材料。

“越来越清楚的是，[凝聚体是]一种在不同生物体中广泛采用的常见策略，”未参与该研究的麦吉尔大学生物材料科学家Matthew Harrington说。通过剖析自然界利用凝聚体的方式，科学家希望复现其中一些最坚固的材料。

丝工厂

蜘蛛是不可思议的天然工厂。它们最多可以纺出七种丝，而且同一只蜘蛛往往能纺出其中多种。团囊丝会把昆虫包裹起来，留待日后享用。橡胶状的鞭毛丝会加固捕获螺旋，以吸收冲击。拖丝将蛛网和蜘蛛固定在墙上。每种丝的性质都会因物种而异，也与其分子的组装方式有关。同一种类型的丝，在不同物种中也可能具有略有不同的性质。

1907年，科学家发现蜘蛛丝由长而模块化的蛋白质构成，后来被命名为蜘蛛丝蛋白，它们与胶原蛋白和角蛋白同属一组纤维蛋白。半个多世纪后，X射线开始揭示这种纤维的底层结构。蜘蛛丝由称为β 折叠的平坦蛋白质片层构成，并嵌入有序性较低的非晶基质中。

21世纪初，研究人员检查溶液中的蜘蛛丝蛋白时，并没有看到大多数蛋白质所具有的有序、固定结构。相反，这些蜘蛛丝蛋白含有内在无序区域，不断四处飘动，形成并重新形成各种形状。随后，研究人员开始试图弄清，这锅无序结构蛋白如何能够组织成坚固的固态纤维。

一种早期理论认为，纺丝原液中的蛋白质会开始像晶体中那样彼此排列，同时仍保持动态，处于一种称为“液晶”的过渡状态。另一种理论则认为，蜘蛛丝类似于蚕丝，后者中的蛋白质被组织成胶束，也就是小球，随后再压缩成丝纤维。

随后，2007 年，研究人员发现，在实验室中经过改造的蜘蛛丝蛋白会形成类似液体的球状体。很快，这类结构便在现代生物学中变得无处不在。2009 年，马萨诸塞州海洋生物实验室和德国马克斯·普朗克研究所的科学家在受精蠕虫卵中发现了 聚合 RNA 分子的液滴。这些是凝聚体——悬浮于溶液中的浓缩蛋白质形成的液态或凝胶状气泡。尽管人们观察凝聚体已有一个多世纪，但它们开始被视为整个生命界中分子过程的关键组织工具。

研究人员意识到，凝聚体会浓缩分子，将它们预先组织进一种灵活的微环境，而不会像固体那样把它们固定在原地。Harrington 说：“因为它们具有流动性，所以具有可塑性，因此你们[即生物学界]多少可以根据需要塑造它们。”

更多研究表明，活细胞处处都在利用凝聚体来组织 DNA、调控基因表达和包装蛋白质。在宏观尺度上，它们帮助不同物种构建各种特殊材料。它们有助于将乌贼喙塑造成具有硬度梯度的结构。它们还能形成强效黏合剂，让贻贝附着在岩石上；也会形成海洋胶结剂，供沙堡蠕虫用来建造保护管。

“这一直是生物学领域的热门研究领域。”Holland 说。

尽管早在十多年前，研究人员就描述过实验室制备的蜘蛛丝蛋白中形成类似凝聚体的团块，但直到 2020 年，人们才将它们视为凝聚体。当时，京都大学生物材料化学家 Keiji Numata 提出，蜘蛛丝在从液态纺丝原液转变为固态丝线的过程中会经历凝聚相。

凝聚体通过“液-液相分离”形成。在这一过程中，液体中的分子可在 pH 值、化学成分或温度变化等刺激作用下，开始彼此产生弱相互作用，轻易形成又打破这些键。Numata 提出，蜘蛛丝腺中部的壶腹内的磷酸盐可能启动这些相互作用。但直到当时在 Holland 实验室攻读研究生的 Hannah Johnson 决定一探究竟，才有人描述出驱动凝聚体形成的原子尺度机制。

黑寡妇蜘蛛体内

在整个 2023 年和 2024 年间，每隔几个月，就有一包雌性黑寡妇蜘蛛被送到圣迭戈州立大学化学系。这些蛛形动物通体漆黑，带有一抹红色；它们能产生毒性很强的毒液，可能给人类带来疼痛。除了这点小不便，它们还是研究蜘蛛丝的绝佳对象。其拖曳丝中的蜘蛛丝蛋白是所有蜘蛛中表征最充分的蛋白之一，而且全年都有供应，不像某些蜘蛛那样只在特定季节结网。

两周内，Johnson 一共六次戴上两副防护手套。在接下来的一小时里，她和几名学生给被二氧化碳熏昏的黑寡妇蜘蛛“采丝”。科学家用镊子轻轻从蜘蛛的吐丝器——腹部伸出纤维的喷嘴——中拉出丝线，并利用旋转马达带动小瓶旋转，将丝线缠绕在小瓶上卷收起来。

“那些能给我们吐出大量蛛丝的蜘蛛是我们的最爱，”Johnson 说，“但我偏爱那些不愿配合的叛逆者。”在整个过程中，研究人员给黑寡妇蜘蛛喂食了一种氨基酸混合液（Johnson 说，就像“蛋白奶昔”），其中特意富集了实验室里能够检测到的特定同位素。

核磁共振（NMR）波谱可以描绘分子的结构。它发出射频，扰动原子内部的原子核，随后原子核以一种取决于原子类型的方式运动。Johnson 用 NMR 分析了液态蛛丝原液，也分析了从蜘蛛壶腹中收集的凝聚体。与此同时，Kevin Chalek——当时是 Holland 实验室的博士后研究员，现为 University of California, Los Angeles 的研究员——描绘了固态纤维中蛋白质的原子结构。

“我们试图弥合蛋白质位于蜘蛛体内时与位于蜘蛛体外时两者之间发生的差异，”Chalek 说。“这是同一种蛋白质，[那么]它们怎么会有如此大的差别？而在这两者之间究竟发生了什么？”

Johnson 观察到，在向液态蛛丝原液中加入磷酸盐以启动凝聚过程后，蜘蛛丝蛋白无序区中两种氨基酸（精氨酸和酪氨酸）的侧基开始彼此发生微弱相互作用。这种作用将水排开，使无序蛋白组织成更致密、凝胶状的材料——凝聚体。这种相互作用在固态纤维中依然存在，表明这些氨基酸充当“分子胶水”，引导无序蛋白形成凝聚体，并最终形成纤维。

团队中的其他成员使用 AlphaFold——一种能够模拟蛋白质结构的人工智能工具——以及分子动力学软件，通过计算预测这一过程。研究人员知道，蛛丝的强度来自最终纤维中坚固的β 折叠蛋白结构。团队的模拟显示，这些氨基酸恰好排列在 β 折叠的弯折处，表明它们有助于引导蜘蛛丝蛋白形成最终结构。

“了解这些侧基如何相互作用，以及它们如何形成超越各个部分简单总和的结构……太不可思议了，”University of Sheffield 的生物学家Chris Holland说。他没有参与这项研究，也与 Gregory Holland 没有亲属关系。而且，他们使用的是真正的蜘蛛，而不是合成蛛丝，“这太棒了。”

他们的发现是凝聚体能够由天然丝形成的“直接证据”，这一点“相当重要”，新加坡国立大学未参与该研究的生物学家 Daiwen Yang 表示。

他们对凝聚体的描述并未排除此前关于蜘蛛丝形成的理论。此前曾证明天然蜘蛛丝中存在胶束的 Gregory Holland 提出，胶束、凝聚体和液晶这三者都可能是同一相变过程中的不同阶段。在液态丝液中形成的胶束可以防止杂乱无序的蛋白质结块和缠结。这些蛋白质也可以预先组装成凝聚体，或在从纺丝器中释放并形成高度有序的纤维之前，排列成类似液晶的结构。但 Gregory Holland 表示，实际过程很可能比依次进行的过程“更具动态性，也更为异质”，其中多种结构可能会同时在混合物中形成。

Harrington 表示赞同。“我不认为这些现象彼此排斥，”他说，“在加工的不同阶段，可能会发生不同类型的相变。”

不过，对于这些相互作用如何在这条生产线上共同发挥作用，仍有更多需要了解的地方。研究人员很可能尚未能详细厘清其他一些重要的氨基酸相互作用。他们还希望寻找磷酸盐之外、能够启动这一过程的触发因素。Chris Holland 表示：“可能还有其他一系列因素在推动这些蛋白质发生结构变化。目前我们还不知道所有这些开关。”

卓越材料

要完整描述这一错综复杂的吐丝过程需要付出大量努力，但成果可能十分巨大。与蚕相比，蜘蛛产生的可用丝数量很少，而人类为了获取蚕茧，饲养蚕已有 4,000 多年历史。制作一件丝质衬衫需要数千只蚕；而制作同样的衬衫则需要约 100 万只蜘蛛，部分原因在于蜘蛛不会产生便于加工的蚕茧。还有一个更现实的原因：蜘蛛有同类相食的习性，因此很难饲养，每只蜘蛛都需要单独的容器。

在实验室中生产蜘蛛丝，可能带来一系列强度高且柔韧的新材料。凯夫拉这种合成纤维目前是我们最坚固的材料，但其加工需要极高温度和酸性条件。Harrington 表示：“蜘蛛或贻贝这样的生物，基本上能在海水或普通空气的环境条件下制造出更优越的材料。”

人类尚未弄清楚如何与这些生物匹敌。当科学家在实验室中合成蜘蛛丝，利用确切的氨基酸序列构建蜘蛛丝蛋白时，所得的蛛丝不如天然蛛丝坚固。Chalek 表示：“那里发生着一些我们同样难以模拟的过程。”他认为，额外的强度必定来自蛋白质中的 β 折叠之外的因素，可能源于丝结构的其他方面，也可能来自合成蛛丝溶液中经常被遗漏的蜘蛛丝蛋白部分。

Chris Holland 表示：“我认为，一旦我们真正理解了这些蓝图，就能用丝做出更多东西。”

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