大數(shù)據(jù)創(chuàng)造的生物新材料， 合成蜘蛛絲正在走進(jìn)人類的衣住行

服裝污染

20 世紀(jì) 30 年代，化工巨頭 Dupont（杜邦）從石油中提煉并合成了一種全新的合成纖維物質(zhì) —— 尼龍，這是化學(xué)工業(yè)劃時(shí)代的革命性成果。尼龍由石油中的化學(xué)物質(zhì)組成，它是第一種真正的人造纖維，被廣泛應(yīng)用于服飾制作中，一定程度上革新了紡織品的面貌。

然而，正如硬幣的正反面一樣，尼龍給我們帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了一系列的環(huán)境污染問(wèn)題。尼龍等合成聚酯纖維包含有毒的化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)水系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染，甚至污染物或者有毒化學(xué)物質(zhì)會(huì)流入海洋，破壞海洋生態(tài)環(huán)境。

因此，服裝業(yè)也被視為全球僅次于石油業(yè)的最二大污染源，其中尼龍等合成纖維面料是最可惡的污染物，快時(shí)尚巨頭們則是環(huán)境污染的最大推波助瀾者。

“環(huán)保”和“時(shí)尚”似乎無(wú)法共生。

近來(lái)年，隨著可持續(xù)理念的發(fā)展和環(huán)保觀念的深入人心，國(guó)際社會(huì)加大環(huán)保力度，各國(guó)也相繼發(fā)布相關(guān)環(huán)保政策，比如說(shuō)國(guó)際生態(tài)紡織品研究和檢測(cè)協(xié)會(huì)用來(lái)監(jiān)督紡織品的生態(tài)性的標(biāo)準(zhǔn) —— Oeko-TexStandard 100 開(kāi)始變得日趨嚴(yán)格完善。在此大背景下，消費(fèi)者更青睞符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展理念的服飾，一定程度上給時(shí)裝業(yè)和紡織品制造商帶來(lái)了壓力，倒逼時(shí)裝業(yè)開(kāi)始尋找更加環(huán)保的解決方案。

對(duì)于環(huán)保和時(shí)尚共生這一難題，合成生物學(xué)似乎可以給出最優(yōu)解。總部位于日本的新材料公司 Spiber 就是這一領(lǐng)域的先行者，其在 2016 年推出了全球第一款合成蜘蛛絲材料。基于天然蜘蛛絲的靈感，不依賴石油化學(xué)原料，Spiber 開(kāi)發(fā)了一種全新的蛋白質(zhì)材料 —— 利用微生物發(fā)酵工藝釀造蛋白質(zhì)。這種材料號(hào)稱可以與天然蜘蛛絲性能相媲美。

Brewed Protein 制備流程

Spiber 透露，這種合成蜘蛛絲材料的韌性是相同尺寸鋼的四倍，彈性可與尼龍相媲美，耐熱性表現(xiàn)良好，溫度高達(dá) 300 攝氏度，同時(shí)這種材料清潔無(wú)害并可實(shí)現(xiàn)生物降解。

現(xiàn)在，這種合成蜘蛛絲材料已經(jīng)被作為毛衣、夾克等原材料，用這種蜘蛛絲制成的衣服，柔軟、耐穿、環(huán)保可生物降解，能兼顧消費(fèi)者保護(hù)環(huán)境和時(shí)尚消費(fèi)的需求，實(shí)現(xiàn)了“環(huán)保”和 “時(shí)尚”的和諧統(tǒng)一。

在 2019 年，Spiber 與 GOLDWIN 合作以 The North Face 品牌推出了全球首款由合成蜘蛛絲制成的戶外夾克 Moon Parka，當(dāng)時(shí) Spiber 官宣這是全球第一件由微生物發(fā)酵產(chǎn)生的蛋白質(zhì)材料制成的外套，一時(shí)間受到了時(shí)尚行業(yè)的廣泛關(guān)注。

合成蜘蛛絲掀起下一代材料革命？

Spiber 由日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究生 Kazuhide Sekiyama 等人創(chuàng)辦，他們將日本慶應(yīng)義塾大學(xué)尖端生命科學(xué)研究所研發(fā)的人工合成蜘蛛絲技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化落地，目前已經(jīng)擁有了 14 年制絲歷史。

Brewed Protein 蛋白質(zhì)材料

這種人工合成蜘蛛絲技術(shù)，并不是直接使用蜘蛛產(chǎn)出高強(qiáng)度的蛋白質(zhì)材料，而是以微生物作為生產(chǎn)工具，用其生產(chǎn)蛋白質(zhì)。這就好像平時(shí)釀酒發(fā)酵，通過(guò)微生物把一些原材料轉(zhuǎn)化成酒精一樣。

基于這一技術(shù)，Spiber 開(kāi)發(fā)出了一種新型蛋白質(zhì)材料 —— Brewed Protein ，這是一種人工合成、非天然、可調(diào)控的全新蛋白質(zhì)材料。那么，這種神奇非天然的蛋白質(zhì)材料又是如何得來(lái)的呢？

Moon Parka 戶外沖鋒衣

首先，研究人員收集并分析了目前自然界中存在的各天然蜘蛛絲蛋白的 DNA 序列，之后利用生物信息學(xué)的方法，借助于大數(shù)據(jù)，得出一種自然界中不存在，但是性質(zhì)可控的蛋白質(zhì)基因;之后，將該非自然的全新蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)入到微生物中，就可以利用微生物，像釀造啤酒一樣為咱們發(fā)酵出合成蛛絲蛋白了，然后這些合成蛋白織成纖維材料;這種蛋白質(zhì)材料，既繼承了天然蜘蛛絲的韌性和強(qiáng)度，同時(shí)又保留了纖維的舒適性、耐用性和可持續(xù)性。據(jù)了解，這是一種非常環(huán)保、安全的新型合成纖維。

開(kāi)發(fā)出這種新型蛋白質(zhì)材料的 Spiber 也受到了投資方的認(rèn)可，根據(jù) Crunchbase 的數(shù)據(jù)，Spiber 共完成了 14 輪融資，其中日本纖維業(yè)巨頭豐島（Toyoshima）就是其投資方之一。

這種蛋白質(zhì)材料可以被加工成如絲綢般光滑的細(xì)絲纖維，或者像羊絨般柔軟吸汗的細(xì)紗。此外，Brewed Protein 還能加工成類似動(dòng)物皮毛或者是皮革替代品，以及龜甲或者與動(dòng)物龜甲相似的樹(shù)脂。

Brewed Protein 材料能產(chǎn)生與絲綢、羊絨甚至動(dòng)物皮毛相似的效果，可以算得上一種全新的替代材料。

Brewed Protein 的最大的亮點(diǎn)在于其環(huán)保效益，由天然纖維原料發(fā)酵而來(lái)，不再依賴以石油化學(xué)為主要原料，且不會(huì)產(chǎn)生或分解為對(duì)環(huán)境有害的微塑料。Spiber 在官網(wǎng)稱，與尼龍等來(lái)自石油的人造纖維不同，所有蛋白質(zhì)纖維都是可再生材料，能夠生物降解。Brewed Protein 材料對(duì)海洋生態(tài)影響更小，同時(shí)也可以減少與使用動(dòng)物纖維相關(guān)的溫室氣體排放等問(wèn)題。

Spiber 稱：“Brewed Protein 新型可生物降解材料可以使服裝行業(yè)擺脫對(duì)石化和動(dòng)物材料的需求，并提供可持續(xù)的解決方案。”

Spiber 還成立了專門的可持續(xù)發(fā)展團(tuán)隊(duì)、可持續(xù)發(fā)展的物料生產(chǎn)流程和業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部生物降解性測(cè)試功能和環(huán)境影響評(píng)估系統(tǒng)。

Brewed Protein 的環(huán)保效益使其在可持續(xù)發(fā)展時(shí)代大放異彩，這種全新材料能否開(kāi)啟下一代材料革命？Brewed Protein 需要經(jīng)得住市場(chǎng)考驗(yàn)、以及獲得消費(fèi)者認(rèn)可，價(jià)格和產(chǎn)能在其中扮演重要角色。

2020 年 11 月，日本運(yùn)動(dòng)服飾制造商 Goldwin 推出了一款采用 Brewed Protein 制成的毛衣（The Sweater），其中 Brewed Protein 含量約為 30%，售價(jià)為 800 美元（5184 元），而 Spiber 與 Goldwin 推出的 Moon Parka 戶外沖鋒衣定價(jià)為 15 萬(wàn)日元（9368 元）。盡管其定價(jià)相比成本已經(jīng)偏低，但是價(jià)格仍然不“親民”。

而降低價(jià)格的一大路徑就是降低合成蜘蛛絲制造成本，這是合成蜘蛛絲面臨的最大挑戰(zhàn)之一。一家美國(guó)的功能性材料研發(fā)公司 Bolt Threads 方面曾表示，與使用大腸桿菌相比，使用酵母成本更低。他們希望能將合成蜘蛛絲的成本能與高檔羊毛或自然絲綢等高級(jí)面料持平。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，價(jià)廉物美能吸引更多的消費(fèi)者，合成蜘蛛絲的價(jià)格要與其價(jià)值相匹配。如果價(jià)格過(guò)于昂貴，消費(fèi)者則更傾向于選擇價(jià)格更實(shí)惠的替代品。

Spiber 泰國(guó)工廠

產(chǎn)能供應(yīng)是合成蜘蛛絲能否廣泛應(yīng)用的又一關(guān)鍵要素，這對(duì)于 Spiber 來(lái)說(shuō)也是頭等大事。經(jīng)過(guò) 15 多年的研發(fā)，現(xiàn)在 Spiber 處于批量規(guī)模化生產(chǎn)的過(guò)渡轉(zhuǎn)型期。在內(nèi)部，Spiber 于 2019 年開(kāi)始在泰國(guó)羅勇府建立新工廠，該工廠面積是其日本總部試驗(yàn)工廠的 100 倍。預(yù)計(jì)將于 2021 年正式運(yùn)作并投入商業(yè)生產(chǎn)，將負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)發(fā)酵和純化工作，預(yù)計(jì)年產(chǎn)量將達(dá)到幾百萬(wàn)噸。Spiber 媒體發(fā)言人 Ayana Nakajima 稱，泰國(guó)工廠有望將 Brewed Protein 材料的產(chǎn)量增加 100 倍。

在外部，Spiber 與美國(guó)食品加工巨頭 ADM（Archer Daniels Midland）牽手，Spiber 將充分利用 ADM 現(xiàn)有的工廠和發(fā)酵技術(shù)方面的深厚積累，最終將其產(chǎn)能提高 1000 倍。2020 年底，Spiber 完成 250 億日元新一輪融資，用于其與 ADM 的聯(lián)合項(xiàng)目 —— 建立位于美國(guó)愛(ài)荷華州的大型 Brewed Protein 聚合物生產(chǎn)工廠。

Spiber 還與日本時(shí)裝設(shè)計(jì)師品牌 Sacai、高定設(shè)計(jì)師品牌 Yuima Nakazato（中里唯馬）等進(jìn)行合作。（注：Sacai 是日本中生代設(shè)計(jì)師品牌中的佼佼者）

通過(guò)與眾多設(shè)計(jì)師、多家頂級(jí)公司達(dá)成合作，Spiber 正在推動(dòng)蛋白質(zhì)生物材料進(jìn)入新的發(fā)展階段。

多領(lǐng)域應(yīng)用潛力

Spiber 的首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人 Kazuhide Sekiyama 曾在 TEDxTokyo 演講中指出：化學(xué)纖維幾乎用于我們周圍的所有事物，并支持我們的生活。但是，如果有一天石油消耗殆盡了，我們將會(huì)失去生產(chǎn)纖維的資源，到那時(shí)我們?cè)撛趺崔k？我們認(rèn)為，如果發(fā)明具有與化學(xué)纖維同等甚至更高性能的蜘蛛絲，那將是一次真正的創(chuàng)新。這樣的蜘蛛絲可以應(yīng)用于多種產(chǎn)品中，可能將會(huì)改變世界。

可以說(shuō) Spiber 對(duì)蛋白質(zhì)生物材料進(jìn)行了一次全新產(chǎn)業(yè)化落地和應(yīng)用。Kazuhide Sekiyama 認(rèn)為，這種蛋白質(zhì)材料在時(shí)尚界以外的應(yīng)用也具有巨大潛力，包括在汽車制造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，比如說(shuō)可以用作車輛的輕質(zhì)部件、建筑材料、人造頭發(fā)。他說(shuō)：“我們目前優(yōu)先考慮的領(lǐng)域是服裝和汽車…… 但是，正在與數(shù)十家企業(yè)以各種方式進(jìn)行聯(lián)合研究。”

不止于服飾， Spiber 一直在探索將這種可持續(xù)發(fā)展的新型材料應(yīng)用于多種場(chǎng)景。

Spiber 和GOLDWIN共同開(kāi)發(fā)的滑板材料

Brewed Protein 在高性能戶外裝備場(chǎng)景的應(yīng)用正是迄今吸引最多關(guān)注的領(lǐng)域。2019 年 2 月，Spiber 和 GOLDWIN 宣布共同研發(fā)一種可用于滑板和長(zhǎng)板的新型竹子材料和 Brewed Protein 復(fù)合材料。

雷克薩斯Kinetic 概念車座椅

基于在蛋白質(zhì)技術(shù)方面的積累，Spiber 于 2019 年 3 月與生發(fā)品牌 Aderans 達(dá)成合作，共同研發(fā)最新的假發(fā)材料，這種材料有望在 2 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

2016 年，Spiber 的合成蜘蛛絲材料已經(jīng)用于雷克薩斯 Kinetic 概念車座椅，車座椅于當(dāng)年在巴黎車展上首次獨(dú)立展出亮相。椅座框架“內(nèi)飾”包括一個(gè)蜘蛛網(wǎng)圖案的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)的線從靠背的中心呈放射狀展開(kāi)，網(wǎng)兜緊密貼合身體，并分散負(fù)載;靠背采用了合成蜘蛛絲 Brewed Protein 材料，彈性更大。

不過(guò)合成蜘蛛絲并非是唯一的可替代新材料，合成生物學(xué)為新材料的研發(fā)提供了更多可能性。現(xiàn)在，一些研究人員正在探索利用真菌菌絲體合成類皮革材料生成皮包、服飾、紙張和絕緣泡沫材料;Bolt Thread 則同時(shí)開(kāi)發(fā)了多種新型合成材料，包括菌絲體合成材料、合成蜘蛛絲等環(huán)保材料。這些替代材料既滿足了消費(fèi)者的環(huán)保需求，又滿足了對(duì)于皮質(zhì)服飾和配飾消費(fèi)需求。 （摘自美《深科技》）（編輯/克珂）