蜘蛛絲合成記

文/ 張唯誠

在自然界里，有一些天生的紡織能手，蠶和蜘蛛就是其中翹楚。絲其實是一種蛋白質，在蠶和蜘蛛的腹中是一種膠狀物。當蠶和蜘蛛吐絲時，那膠狀物便經由一種特殊的管道變成了絲，形成了固體的纖維。蠶和蜘蛛吐絲的目的是不一樣的：蠶吐絲是為了結繭，那是保護它們的“房子”，而蜘蛛吐絲是用絲結網捕獲獵物。由于獵物通常會瘋狂地掙扎，所以蜘蛛絲就需要有很高的強度、韌性和黏性，這決定了蜘蛛絲要比蠶絲結實得多。

在電影中，蜘蛛俠依仗蜘蛛絲飛檐走壁，穿行于建筑物之間，場景雖然夸張，卻把蜘蛛絲的優良特性形象地表現了出來。研究表明，蜘蛛絲的強度是鋼的20倍，而且極輕、極有韌性，無毒無害，能自然降解，是大自然中非常難得的優異材料。

假若蜘蛛也像蠶一樣易于飼養，那人們就可以獲得大量天然的蜘蛛絲，然而遺憾的是，蜘蛛和蠶很不一樣，它們生性好斗，絕不和同類“共享地盤”，大批飼養蜘蛛是很難的，加上它們的吐絲量也很少，所以天然的蜘蛛絲難以大量地獲得。科學家只好另辟蹊徑，那就是模仿蜘蛛吐絲的本領研制出能大量生產的人工合成蜘蛛絲來。

揭秘絲蛋白

瑞典生物學家安娜·里辛專門研究生物體內至關重要的化學現象，由此對合成蜘蛛絲產生了濃厚興趣，因為這種優秀的材料在醫學上很有發展前景。要想通過模仿蜘蛛吐絲的行為獲得人工合成的蜘蛛絲，第一步工作就是要了解絲蛋白。

在蜘蛛絲中，每個絲蛋白分子都像一段擁有三個部分的長鏈，其中最長的部分由幾個片段重疊而成，它們之間的連接很像彈簧，這使蜘蛛絲擁有出色的彈性和拉力。絲蛋白分子的首尾還各有一部分與其他分子相連，這又使絲蛋白能夠形成很長的絲纖維。

絲蛋白存在于一種親水的溶液中，它們作為腺體的一部分儲存在蜘蛛的腹中。里辛等人從南非收集了一些蜘蛛，人們稱這種蜘蛛為“捕魚蛛”（屬盜蛛科，生性兇猛，以水面浮游生物、昆蟲為食，也擅長捕食小魚）。她和同事們研究了這種蜘蛛的絲和它的基因，弄清了蜘蛛基因代碼中哪一部分是與制造絲蛋白相關的。接下來，他們運用一種名為“聚合酶鏈式反應”的技術復制了一些基因片段。

合成絲蛋白

現在，里辛等人要將其得到的基因材料植入細菌的DNA中，以便讓細菌產生蜘蛛絲。不過，研究人員遇到了一個麻煩，那就是他們制造的基因材料不能很好地溶于水中。

與此同時，我國的科學家也在做著同樣的研究，他們使用的蜘蛛是一種亞洲蜘蛛，名為大腹園蛛。于是兩組科學家聯合起來設計了一種混合的蛋白。科學家從亞洲蛛和非洲蛛的蛋白分子上分別截取了最易溶解于水的部分以合成新的蛋白。蛋白的前端來自非洲蛛，后端來自亞洲蛛，中間則是兩層來自非洲蛛的重疊部分。

科學家引導細菌生產這種混合的絲蛋白，最后終于得到了能溶解于水的蛋白溶液，類似于蜘蛛腹中的腺體。

令人神往的應用前景

接下來面臨的問題就是如何將這些絲蛋白織成纖維。在蜘蛛吐絲的時候，絲蛋白溶液的pH值是下降的，也就是說，溶液中的酸度會越來越高。為了獲得類似的效果，科學家設計了很細的管子，尖端很小，絲蛋白溶液在壓力的作用下會從管中噴出以形成射流，射流噴進一個裝有酸性水溶液的燒杯中，它們的pH值就下降了。在這個過程中，每個絲蛋白分子在通過細管時齊聚在了一起，并連接了起來，溶液變成了纖維，人們把合成的絲線從燒杯中拉出來，最后卷到了線軸上。至此，人們終于在實驗室中合成了蜘蛛絲。

目前合成蜘蛛絲雖然在實驗室中取得了成功，但要進行批量生產還有許多工作要做。據說合成絲已達到了自然絲強度的1/3，這已經是很不錯的成績了，但也說明改良的空間還很大。

作為一種新型材料，合成蜘蛛絲將會在很多領域里發揮重要作用。在醫學上，蜘蛛絲可以成為很好的縫合線、人工韌帶、眼角膜等。由于良好的可降解性，它們還可用于制作供干細胞生長的模型、人體缺損的組織。例如，損壞的骨骼或肌肉可以在這種模型上得到修復。在未來，合成的蛛絲材料還可以用于制造汽車、飛機、防彈衣、滑翔翼、傳感器、各種磁性和導電原件，等等。事實上，很多時候人們甚至不用把絲蛋白紡成纖維，它們本身就大有用途了，例如作為涂料、凝膠劑、薄膜和黏合劑，等等。可以預測，合成蜘蛛絲將作為一種前景廣闊的新穎材料大顯身手。