蜘蛛網激發的靈感

蔡立英/編譯

蜘蛛網激發的靈感

蔡立英/編譯

天然蜘蛛絲（右）的一種仿生材料（左）結合了可以作為一種給藥系統的聚合物滴

●蜘蛛吐出的堅固而有彈性和黏性的絲激發了工程師的靈感，從而設計出了人造肌腱和角膜等先驅性的醫療產品。

一只馬達加斯加樹皮蜘蛛把一根拖絲吐到空中，細絲被風吹到河的另一邊，停在25米開外河對岸的樹葉上。隨后，這只達爾文樹皮蜘蛛伸出橋線確定張力并加固，然后拉出一套所需的更具彈性或黏性的其他絲線，從而結成網捕獲飛過水面的昆蟲。

達爾文樹皮蜘蛛的橋線是世界上已知最堅韌的生物材料——甚至比鋼還要堅韌，但是達爾文樹皮蜘蛛在制造不同種類的絲線方面的多才多藝卻不獨特。很多蜘蛛能吐出多種絲：緊繃的結構絲用來穩定它們的網；具有黏性和彈性的螺旋絲用來捕獲飛蟲；黏合墊用來錨定它們的網；還有非常牢固的拖絲用來懸掛。

這些天然纖維非凡的機械特性已經引起了材料科學家的關注。研究人員正從蜘蛛綱動物和其他吐絲動物身上尋找靈感，研究如何制造用于橋梁和車輛的新結構材料，用于爬壁機器人的抗污黏合劑，以及用于生物醫療器械的堅固的聚合物。許多絲集合了現有人造材料并不具備的特性——在蜘蛛絲上發現的超級堅韌性和彈性就是一個例子。絲蛋白能被制成塑料那樣或是像硅一樣具有光學功能，但因為它們是有機生物材料，所以絲是環保的、具有生物相容性的。絲蛋白能制成薄膜植入到體內，溶解后釋放藥物。這些特性組合是聚酯、膠原蛋白或其他任何材料都不具備的，美國塔夫茨大學的研究者大衛·卡普蘭（David Kaplan）說，他是高科技生物醫學絲的早期支持者，“人們對新的生物材料有明顯的需求。”對卡普蘭和其他人而言，絲是滿足這種需求的最佳選擇。

常見的絲

許多無脊椎動物，包括蜘蛛、蜜蜂和蠶，都獨立進化出了絲。單個的蜘蛛能制造多達6種不同的絲蛋白（和兩種膠蛋白），每種絲蛋白隨著這些動物的進化，已經有4億多年的自然進化史。每個蜘蛛物種用它們自己的這些蛋白質變體制造不同類型的絲。

“我們認為一只原始的蜘蛛具有一種絲，而在基因復制和演變的過程中會發生很多事件。”加州大學河濱分校的蜘蛛專家謝麗爾·林（Cheryl Hayashi）說。那些與原始的蜘蛛祖先更接近的蜘蛛物種，比如狼蛛和螲蟷，吐出的絲設計簡單——例如，用種類更少的絲結成雜亂的纏結來捕獲在蜘蛛網上爬行的昆蟲。其他蜘蛛經過進化，能織出更復雜的螺旋式圓網，這種網的不同區域是由不同類型的蛛絲構成的——一些絲在捕獲獵物方面進行了優化，另一些絲在大網設計的結構支持方面進行了優化。

這種進化的恩賜給試圖把蜘蛛絲用于人類服務的工程師帶來了福音和啟示。如果一個設計需要一種具有特定的強度和彈性比的纖維，“很可能這種纖維已經被成千上萬種蜘蛛里的一種發明出來了。”林說。

大多數研究都是圍繞利用蜘蛛絲的堅韌性——在材料科學上，用堅韌性來度量弄斷某物需要多大的能量。像蜘蛛絲這樣的材料既堅固又有彈性。即使一只飛入蜘蛛網的大昆蟲以最大的速度拉伸蜘蛛網上最好的纖維，也不能沖破它們。

蜘蛛的拖絲是目前已知最堅韌的絲，也是研究者密切關注的研究熱點。蜘蛛利用拖絲安全地懸掛著，制造蜘蛛網的框架，并用在抗破損是頭等大事的場所。在2004年上映的電影《蜘蛛俠2》的一幕場景中，這個名叫蜘蛛俠的超級英雄用他的蜘蛛網攔截了一列失控的紐約地鐵，這一場景并非太遠離現實。2012年，英國萊斯特大學的物理學研究生計算出達爾文樹皮蜘蛛吐出的拖絲就能實現電影中所展現的壯舉。

人造絲是猶他州立大學通過基因工程制造的蜘蛛絲蛋白紡織出來的

達爾文樹皮蜘蛛的拖絲如果能批量生產，將在那些重量輕但堅固的材料至關重要的應用中發揮寶貴作用：比如戰斗機飛行員的頭盔，人造肌腱和韌帶，或是蜘蛛俠般的攀爬繩索。但是從實用和工業生產的觀點來看，蜘蛛是無用的。當蜘蛛被人工圈養時，會變成吃同類者，所以必須從野外捕捉。為了獲得天然蜘蛛絲，研究者必須麻醉蜘蛛，把一根蜘蛛絲的一端綁到一個電鉆的變速馬達上，然后輕輕地從蜘蛛的一個絲腺體中把絲拉出來。根據蜘蛛的種類不同，這個抽絲技術能產生多達100米的絲。這道費力的工序比從蜘蛛網中把絲分揀出來更容易，但是不能批量生產。所以研究者正在研究如何不借助蜘蛛就能生產蜘蛛絲。這種制作法提出了兩項初始的挑戰：第一，從哪里找到絲蛋白；第二，如何把絲蛋白組裝成有用的纖維。

聚焦纖維

為了實現使人造蜘蛛絲成為一種工程材料的夢想，研究者從基因開始著手。美國猶他州立大學的倫道夫·劉易斯（Randolph Lewis）在1990年首次對蜘蛛絲蛋白基因進行了測序。劉易斯選擇了棒絡新婦蛛的拖絲，這是一種原產于美洲的物種，又被稱為金紡蜘蛛。從那以后，劉易斯和其他研究者成功地在許多生物系統中對這種蛋白質進行了表達，包括大腸桿菌、紫花苜蓿和山羊，山羊在其羊奶中表達出這種蛋白質分子。劉易斯創辦了一家名叫Araknitek的公司來研發和許可生產這些蛋白質。

還有其他公司也在研發蜘蛛絲蛋白。位于德國慕尼黑附近的AMSilk公司生產了用于化妝品和洗發劑的人造蜘蛛絲蛋白；位于瑞典斯德哥爾摩的Spiber技術公司出售由實驗室自制的蜘蛛絲構成的用于生長細胞培養物的網狀物和薄膜。另一個幾乎同名的公司——位于日本鶴岡市的Spiber公司，已經從慶應大學脫離出來。很多具有商業頭腦的公司都在研制人造蜘蛛絲的薄膜或纖維，用于醫學器械和紡織品。

但是還沒有人研究出如何生產像原絲一樣堅韌的絲線軸。“我們最好的纖維的抗拉強度大約是蜘蛛絲的一半到三分之二。”劉易斯說。一個問題是基因工程制造的蜘蛛絲蛋白質分子沒有天然的蜘蛛絲蛋白質分子那么大。無論材料是蛋白質還是塑料，纖維紡絲的一般規則是分子越大，纖維越強韌。但是這種趨勢顛覆了生物工程的一個公理：蛋白質越大，在一個轉基因的生物體中越難生產出來。天然拖絲蛋白的分子質量為250至500千道爾頓；而在實驗室中制造的轉基因生物體生產的絲蛋白的分子質量只有大約60至80千道爾頓。劉易斯說自己正在繼續研究在轉基因生物體中生產2到3倍這種分子質量、更接近于天然蜘蛛絲蛋白的蛋白質。“纖維的抗拉強度也將會提高。”他說。

即使用了正確的蛋白質，人類在合成蛋白質方面依然處于劣勢，因為我們仍然不完全知道蜘蛛是如何合成蛋白質的。人造絲的纖維紡絲技術是基于生產凱夫拉爾（Kevlar）這樣的聚合物纖維的方法，凱夫拉爾是美國杜邦公司研制的一種芳綸纖維品牌。這些技術對于它們所設計制造的人造聚合物很有效，用來生產蛋白質則效果不佳。把蛋白質從一個微細針的針尖中擠出來，在水或酒精中洗滌后，拉伸并干燥——這個制作法與蜘蛛所采用的方法有很大的不同。科學家知道蜘蛛從專門的腺體中拉出蜘蛛絲，有些絲腺體包含不止一種蛋白質。絲從腺體中產生時是高度濃縮的纖維液體溶液，隨著被拉出而結晶。這個過程還沒有被模仿，研究者才剛剛開始理解使紡絲成為可能的解剖學和生理學的細節。

瑞典農業科學大學（位于烏普薩拉）生物化學家安娜·瑞星（Anna Rising）正求助于蜘蛛來尋找纖維紡絲的線索。為了更深入地了解如何制造堅韌的絲纖維，她和一個學生開展了一項精細復雜的研究，他們希望獲得可應用于工業制絲的靈感。他們把微電極沿著活蜘蛛的絲腺體放置，從袋狀的貯液囊沿著變窄的管道向下到其開口。她說，這些感應器揭示了如下現象：沿著絲腺體的長度“有相當令人印象深刻的pH梯度，并且CO2增加了”。瑞星現在正在研究復制這些pH梯度，她說這些梯度可能有助于控制絲蛋白在紡絲時的結晶。

瑞星還發現，當絲蛋白還在絲腺體里面時，一個絲蛋白的頭與下一個絲蛋白的尾銜接在一起，排列成一行。當蛋白質在絲腺體內聚集時，它們事先排成一行。纖維中的蛋白質排列得越整齊，則纖維越強韌。這一點也可以在合成纖維中進行模仿。瑞典的Spiber技術公司正致力于把瑞星的想法商業化，在大腸桿菌中生產重組絲蛋白，目標是制造供臨床使用的替代性肌腱和韌帶。

林將觀察蜘蛛發育過程中絲腺體的發育，從而獲得更多的啟示。她正在研究黑寡婦蜘蛛，這種蜘蛛擁有七種絲腺體，每一種都會產生獨特的絲纖維。

盡管許多研究者受到蜘蛛拖絲的機械堅韌性的啟發，其他人則從蜘蛛絲上看到了更廣闊的應用前景。美國阿克倫大學的昆蟲學家托德·布萊克萊杰（Todd Blackledge）是第一個鑒定了達爾文樹皮蜘蛛絲特性的科學家。他說只關注一只蜘蛛或是一種蜘蛛就像是只研究近交系的實驗室小白鼠。他正在觀察其他蜘蛛吐出的絲，與阿克倫大學的材料科學家阿里·迪諾耶瓦拉（Ali Dhinojwala）合作研究某些蜘蛛網具有黏性的原因。他們倆發現很多蜘蛛絲的黏性不僅跟化學有關，還跟結構有關。

蜘蛛綱動物常見的一種黏合技術是制造一片緊湊的平行絲線，以在一端固定拖絲。蜘蛛這樣做，就能安全地懸掛著了。這個黏合片由一種叫做梨狀絲的線圈狀絲蛋白的平行絲線構成；由這種蛋白質制成的纖維具有高度的彈性，像橡皮筋一樣。這種梨狀絲涂有黏蛋白溶液。要移除這種致密的黏合片，需要拉動上百根彈性絲線超過其斷裂點。迪諾耶瓦拉是一名聚合物化學家，在一種聚合物黏合片上模仿了蜘蛛的黏合片。他證明一塊具有合適彈性的聚合物絲線的黏性會像蜘蛛的黏合片一樣，希望研制出用于肌腱修復手術的人造黏合片。

蜘蛛絲之外的絲

因為有一些研究者已經在破解蜘蛛絲的難題，其他研究者則利用更容易著手的一種動物制造的絲的特性。家蠶長期以來被飼養用來生產有光澤的紡織品。

蠶纖維不如蜘蛛絲那么堅韌，在很多方面來說都更簡單。蠶用它們的絲只做一件事：蠶在變態發育期間，吐絲做繭作為庇身之所。蠶絲只有一種結構成分，叫做絲素蛋白。卡普蘭看到了絲素蛋白的廣闊前景——不一定要以纖維的形式得以應用。

蠶絲素蛋白是現成的，而且易于使用，美國塔夫茨大學的生物醫學工程師、光子材料領域的專家菲奧倫佐·奧梅內托（Fiorenzo Omenetto）說。為了與塑料和硅等商品材料在電子器件和醫療器械方面的應用競爭，尺寸是關鍵。奧梅內托訂購了大箱大箱的蠶繭，然后用卡普蘭最初研制的配方對蠶絲進行加工。剖開蠶繭，把蠶蛹拿掉，把蠶繭放到熱水浴中，把絲纖維上的如膠似漆的糖蛋白絲膠洗干凈，再進行處理，以溶解和凈化絲素蛋白。

由此得到的稠密的水溶液能與藥物和其他生物分子或納米顆粒混合，從而制成薄膜或其他結構。通過控制干燥環節的條件，研究人員可以引導絲素結晶成按所需時間尺度溶解的形態。

卡普蘭和奧梅內托已經用絲薄膜來安置能監測心臟功能然后溶解的可生物降解的電子設備。他們還研制了藥物釋放植入體，人造角膜，堅固到足以擰入骨骼然后隨著時間的推移而降解的絲制矯形器械，以及用于從大腦皮層生長神經元的濕軟支架。

醫學應用為絲的技術用途鋪平了道路，卡普蘭說。絲線已經在醫療機構中得到了廣泛的應用，是最常用的縫線材料。卡普蘭和其他研究者所研發的一些絲制的生物醫學器械已經投放市場或是處于臨床試驗階段，用于軟組織修復手術。而且，總部設在英國牛津郡的Orthox公司正在測試絲制器械用于膝蓋修復。很多致力于制造蜘蛛絲的研究人員想使蜘蛛絲得到類似的應用，比如修復韌帶，蜘蛛絲格外的堅韌性會是額外的優勢。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的生物工程師塔拉·薩瑟蘭（Tara Sutherland）正在研究沒有蜘蛛絲和蠶絲那么有名的絲。薩瑟蘭的分析揭示了在10萬個不同的昆蟲物種中獨立進化的23組類型的絲。薩瑟蘭和卡普蘭一樣，腦海中也設想了絲的醫學應用。她從上千種選擇中瞄準了一種昆蟲：蜜蜂。蜜蜂用絲為它們的蜂巢提供隔熱和結構支撐。

薩瑟蘭從生物信息學的角度而不是進化學的角度，研究選擇合適的絲這個問題。她想充分利用生物聚合物提供的性能。不像塑料和其他材料，蛋白質能感知環境并做出反應。薩瑟蘭想制造會按照指示釋放細胞吸引信號的組織工程支架，或是在感測到感染時會釋放抗生素的絲繃帶。她已經從耐克公司和美國宇航局等機構獲得了研究資助。

要尋找一種可以很容易修改基因以加入智能特性的絲，她的分析指向了蜜蜂制造的絲。這些蛋白質比蜘蛛絲中的蛋白質更小，因而基因工程師更容易操縱。薩瑟蘭的分析顯示，基因序列的大片段可以在不干擾蛋白質的堅韌性和生物可降解性的情況下被改變。這為她通過基因工程植入新功能提供了更大的空間，比如吸引細胞幫助重建組織。薩瑟蘭現在正在用這些絲來開發具有生物活性的繃帶和其他醫療器械。

對薩瑟蘭和其他研究者而言，自然界中的吐絲動物制造的纖維蘊含無窮的魅力和設計創意。“絲是地球上最好的材料，”卡普蘭說，“沒有其他東西能與之媲美。”

[資料來源：Nature][責任編輯：彥隱]