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图片来源：https://www.pexels.com/zh-cn/photo/776607/
你是否好奇蜘蛛为何可以凭借一根极细的蜘蛛丝在树林间随风荡秋千的？这都来源于蜘蛛牵引丝非同寻常的机械特性。天然的蜘蛛丝直径只有几微米，但强度却比钢铁都要强。这些特性以及生物可降解性使蜘蛛丝在许多应用领域具有吸引力，如纺织、汽车以及医疗等行业。因此，蜘蛛丝有可能成为许多石油基纤维的可持续替代品。
然而，由于蜘蛛互相捕食的天性，天然的蜘蛛丝难以通过养殖大量获取。利用重组蜘蛛丝蛋白制备人工蜘蛛丝成为获得高性能纤维的可行性方案。但由于目前常见的人工纺丝方法大都需要使用大量昂贵而且不环保的有机溶剂。为了解决这一问题，来自芬兰Aalto University的博士生Ruxia Fan与Sesilja Aranko博士、Markus Linder教授及其合作者开发了一套水性纺丝体系，制备了具备延展性高达~255%，韧性高达120 MJ m−3，接近天然蜘蛛丝高达的人造蜘蛛丝。同时他们还展示了一种在温和条件下通过异肽键高效并高选择性的实现纤维功能化的方法。该研究以题为 “Sustainable Spinning of Artificial Spider Silk Fibers with Excellent Toughness and Inherent Potential for Functionalization” 的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
他们首先通过将截短的蜘蛛丝蛋白重复序列与球状结构域融合提高蛛丝蛋白的水溶性表达（表达量约为80~100 mg/L），为后续制备水性纺丝贮存液（>100 mg/ml）提供良好的基础。然后模拟天然蜘蛛丝的纺丝过程，采用天然蛛丝形成过程中的诱导因子，例如离液盐，剪切力以及脱水等因子诱导重组蛛丝蛋白的自组装。在盐析，剪切力以及脱水等因素的刺激下，重组蛛丝蛋白展现了从液液相分离到粘弹性相分离再到纤维的快速组装过程，见图1。这一组装过程重现了天然蜘蛛丝的纺丝过程，但这一过程中制备的纤维由于手动纺丝过程的不稳定，具有极其不均一的力学性质，且产量极低。
图1：重组蛛丝蛋白的相分离和纤维形成。A) 相分离和纤维形成过程示意图。B) 重组蛛丝蛋白在 0.5 毫克磷酸二氢钾和 2.5 毫克醋酸铵中的不同相分离状态和纤维。标尺分别为 20、100 和 50 微米。C). 2.5 毫克醋酸铵诱导重组蛛丝蛋白组装过程的扫描电镜图像。D) 盐析、剪切力和脱水诱导重组蛛丝蛋白相分离和纤维形成示意图。接下来，为了改善纤维性能，扩大纤维生产规模，他们采用湿法纺丝生产纤维。基于对重组蛛丝蛋白在盐析以及剪切力作用下快速从液滴转变成纤维的现象的认识，他们认为盐溶液可以成为快速诱导高浓度重组蛛丝蛋白固化成纤维的强力诱导剂。利用纯水性盐溶液作为凝固浴，他们成功纺制了高延展性及高韧性的人造蜘蛛丝，见图2及视频。这种人造蜘蛛丝的延展性超越了目前所有的人造蜘蛛丝，韧性也接近天然的蜘蛛丝。图：通过水性湿法纺丝系统生产出具有高韧性和延展性的人造蜘蛛丝纤维。A) 使用的湿法纺丝系统示意图。B) 人造蜘蛛丝纤维的照片。比例尺：1 厘米。C) 人造蜘蛛丝纤维的扫描电镜图像。比例尺：20 微米。D) 人造蜘蛛丝纤维的代表性拉伸测试曲线，n = 10。E) 和 F) 不同人造蜘蛛丝初生纤维和原生蜘蛛丝的强度-应变曲线图和韧性-应变曲线图。蓝点代表用乙醇、甲醇和异丙醇等有机溶剂纺制的人造蜘蛛丝纤维；黄点代表用水溶液纺制的人造蜘蛛丝纤维；红圈代表天然拖丝纤维；红星代表本研究中的人造蜘蛛丝纤维。最后，基于重组蜘蛛丝蛋白独特的分子设计，他们利用蛋白两端的SpyCatcher末端结构域与SpyTag之间的生物点击反应成功实现了对纤维的功能化。Catcher/Tag是一种常见的强有力的蛋白-肽对连接工具。其中SpyCatcher/Tag因其可以快速高效的形成共价异肽键的特性被广泛使用。该课题组此前也开发了一种与SpyCatcher/Tag没有交叉连接活性的SilkCatcher/Tag对用于制备分子量接近天然蜘蛛丝蛋白的重组蛋白。在这里，他们用SpyTag连接功能基团，对重组蛛丝蛋白纤维实现了纺丝前，纺丝后两种温和的功能化方法。同时，利用融合了SilkCatcher的重组蛛丝纤维作为对照，说明了这种功能化方法的高选择性，见图3。图3：通过生物点击反应实现特异高效的功能化。A) 纺丝前与B) 纺丝后纤维功能化。C) 通过生物点击反应生产功能化纤维的示意图。比例尺：100 微米。总结：本文展示了一个简单的“盐析-剪切应力-脱水”过程，以模仿从蜘蛛丝融合蛋白纺制纤维的仿生纺丝过程，开发了一种可持续的水性湿法纺丝方法，成功生产出了韧性极佳的最具延展性的重组蜘蛛丝纤维。最后，在温和的条件下通过高选择性和高效的生物点击反应对这些纤维进行了功能化处理，为多功能一维材料的开发提供了可能。--检测服务--
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1. Sustainable Spinning of Artificial Spider Silk Fibers with Excellent Toughness and Inherent Potential for Functionalizationhttps://doi.org/10.1002/adfm.2024104152. Biomolecular Click Reactions Using a Minimal pH-Activated Catcher/Tag Pair for Producing Native-Sized Spider-Silk Proteinshttps://doi.org/10.1002/anie.202216371声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
