讓蠶寶寶吐出蜘蛛絲

美國(guó)《蜘蛛俠》系列電影深受觀眾歡迎，電影中的主人公彼得·帕克被一只經(jīng)過基因改造的蜘蛛叮咬后，能像蜘蛛一樣，可隨意放出強(qiáng)韌蜘蛛絲，支撐自己在空中自由飛行，成長(zhǎng)為一個(gè)力量超凡、行俠仗義的超級(jí)英雄。最近，科學(xué)家們還真培育出一些能吐蜘蛛絲的特殊“蜘蛛俠”，它們就是能吐出“蜘蛛絲”的蠶寶寶。

蜘蛛絲有什么特殊用途

在大多數(shù)人眼中，蜘蛛就是長(zhǎng)相難看的丑八怪，還時(shí)不時(shí)傳出有毒有害的負(fù)面?zhèn)髀劇Ｆ鋵?shí)，大多數(shù)蜘蛛可是不折不扣的益蟲，能捕獵蒼蠅、蚊子等害蟲，而且它們吐出的蜘蛛絲還有更大用處。在蜘蛛絲中最受科學(xué)家關(guān)注的是牽引絲，由于其特殊的氨基酸組成及蛋白空間結(jié)構(gòu)，賦予了蜘蛛牽引絲極高的韌性、彈性和抗張力性。其強(qiáng)度是相同直徑鋼絲的5倍，與目前廣泛應(yīng)用的防彈衣材料“凱夫拉”纖維的強(qiáng)度相當(dāng)，同時(shí)具有較好的組織相容性、生物可降解性和低密度，因此被譽(yù)為自然界機(jī)械性能最優(yōu)異的蛋白質(zhì)絲纖維。

性能優(yōu)良的蜘蛛牽引絲不僅是制造防彈衣、防彈頭盔的絕佳材料，還可以用于制作可降解的手術(shù)縫合線、人工關(guān)節(jié)、人造韌帶等醫(yī)學(xué)材料，甚至可開發(fā)成航空材料、運(yùn)動(dòng)裝備等產(chǎn)品。不過，天然蜘蛛絲只能依靠蜘蛛腹部的腺體合成和分泌，一只蜘蛛每天所產(chǎn)絲不到1毫克，而且蜘蛛為食肉動(dòng)物，有互相殘殺習(xí)性，因此很難通過人工飼養(yǎng)蜘蛛來獲得足夠的蜘蛛絲。

蠶寶寶吐出蜘蛛絲

隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們也一直在尋求大規(guī)模生產(chǎn)蜘蛛牽引絲蛋白的新技術(shù)。同為吐絲專家的家蠶，人類最早7000多年就開始馴化，非常適合人工養(yǎng)殖，而且家蠶的蛋白質(zhì)生產(chǎn)能力非常強(qiáng)，如果能用轉(zhuǎn)基因技術(shù)讓蠶寶寶吐出蜘蛛絲那就太給力了。

2009年，中國(guó)西南大學(xué)和日本信州大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就開始這方面工作了，他們通過一種轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，獲得了整合有蜘蛛牽引絲蛋白基因和紅色熒光蛋白基因的轉(zhuǎn)基因家蠶。相對(duì)于普通蠶絲，其機(jī)械性能均有所提高，但還遠(yuǎn)次于天然蜘蛛絲。2012年，美國(guó)懷俄明州立大學(xué)和浙江大學(xué)研究人員合作開發(fā)出一種表達(dá)家蠶和蜘蛛嵌合絲蛋白的轉(zhuǎn)基因家蠶，這種改造的絲纖維具有更優(yōu)良機(jī)械性能。為提高絲纖維的機(jī)械性能，他們將家蠶和蜘蛛的絲蛋白基因進(jìn)行重組，合成了一個(gè)嵌合基因。重組絲纖維的韌性與天然蜘蛛牽引絲相當(dāng)，高出天然蠶絲一倍以上，最大可拉伸率比天然蠶絲和蜘蛛牽引絲均高50%左右，但是只相當(dāng)于天然蜘蛛牽引絲的一半，其機(jī)械性能仍有較大的提升空間。

2014年，日本國(guó)家農(nóng)業(yè)生物研究所將蠶絲蛋白重鏈蛋白啟動(dòng)子和蜘蛛牽引絲蛋白基因進(jìn)行重組，并對(duì)牽引絲蛋白基因序列進(jìn)行了優(yōu)化，仍然采用轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出表達(dá)牽引絲蛋白的轉(zhuǎn)基因家蠶，而含重組牽引絲蛋白的轉(zhuǎn)基因蠶絲機(jī)械性能均有所提高，最突出的是韌性，比普通蠶絲提高了50%以上。引人注目的是，該研究小組還將這種轉(zhuǎn)基因蠶絲紡織成絲線，并制作成女士背心和圍巾，這也是首次將轉(zhuǎn)基因蜘蛛絲制作成實(shí)用產(chǎn)品，標(biāo)志著轉(zhuǎn)基因蜘蛛絲離實(shí)際應(yīng)用更進(jìn)一步了。

轉(zhuǎn)基因蜘蛛絲

離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)

盡管轉(zhuǎn)基因家蠶能有效表達(dá)重組牽引絲蛋白，但是離規(guī)模化生產(chǎn)蜘蛛絲還有一定距離，其中最大的障礙之一是重組牽引絲蛋白表達(dá)效率低下，很多研究人員都為此而絞盡腦汁。

中國(guó)西南大學(xué)夏慶友教授團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)新思路：即利用鋅指酶基因編輯技術(shù)，對(duì)家蠶的蠶絲蛋白重鏈基因進(jìn)行了基因修飾，使其不能表達(dá)蠶絲重鏈蛋白。由于蠶絲重鏈蛋白是蠶絲中分子量最大和數(shù)量最豐富的蛋白成分，一旦減少了該蛋白表達(dá)，則為其他蛋白的生產(chǎn)騰出了空間。研究人員還將綠色熒光蛋白基因轉(zhuǎn)入家蠶體內(nèi)，是其在轉(zhuǎn)基因家蠶體內(nèi)的表達(dá)水平顯著提高，可以占到蠶繭體重的50%，這表明這種新思路非常有效。該課題組計(jì)劃下一步將這個(gè)體系用于大規(guī)模生產(chǎn)膠原蛋白、人血清白蛋白、單克隆抗體和牽引絲蛋白等重組蛋白。

同時(shí)，轉(zhuǎn)基因家蠶制備效率偏低也是制約轉(zhuǎn)基因家蠶產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一。浙江大學(xué)鐘伯雄教授團(tuán)隊(duì)首次成功建立了借助于TALEN技術(shù)的高效家蠶轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將家蠶轉(zhuǎn)基因效率從10%提高到70%，并成功導(dǎo)入了分子量接近黑寡婦蜘蛛牽引絲的基因，蜘蛛復(fù)合絲的性能獲得了顯著提高。

經(jīng)過4億多年的進(jìn)化，蜘蛛擁有了一套自然界中獨(dú)一無二、精巧絕倫的分泌蜘蛛絲、織網(wǎng)捕食本領(lǐng)。很顯然，人類想用幾十年時(shí)間，完全模仿出蜘蛛這種獨(dú)門功夫，并非易事。不過，隨著基因工程技術(shù)不斷發(fā)展，人造“蜘蛛俠”的種種難關(guān)必將會(huì)被聰明的科學(xué)家們一一攻破，屆時(shí)，那些會(huì)吐蜘蛛絲的蠶寶寶也將成為耀眼的明星。endprint