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【SuyoungWang的回答(22票)】: 谢 仿生学手段模拟蛛丝的分子结构开发出的蛛丝了，而且我的研究重点不在此方向，对于自己不懂的不好多说，但我知道的有MIT曾经模拟天然蛛丝的结构开发出了高强度的人工纤维。=======================下面是简短的答案=======================" data-editable="true" class="member_mention" target="_blank" href="/goto/http://www.zhihu.com/people/74174bd5acdb2a249bc4f1f95e9e063e" data-hash="74174bd5acdb2a249bc4f1f95e9e063e" data-tip="p$b$74174bd5acdb2a249bc4f1f95e9e063e">@袁霖 邀。最近正好在写项目计划，我就从里面摘录整理一下来回答。尽量减少术语的使用，让大家都能看明白，但仍需要有一些高中水平生物学概念。 首先明确一下，因为我的研究方向的关系，我回答中的人造蛛丝，指的是利用基因工程手段，制造出的与天然蛛丝性能相似的人工纤维，不考虑用其他通过仿生学手段模拟蛛丝的分子结构开发出的人工纤维，因为我确实不太了解，但我知道的有MIT曾经模拟天然蛛丝的分子结构开发出了高强度的人工纤维，欢迎各路材料大牛来讲一讲。 因为题目中问了研究进展，而似乎知乎上关于蛛丝的内容都不太详细，所以我讲了很多，能让大家有一个较为全面的认识，不想看的可以直接跳到最后看简短答案。答案中列出的数据是我在文献中看到的，也许会有遗漏，欢迎指出。 ==================下面是答案================== 蜘蛛（Spider）属于节肢动物门（Arthropoda）蛛形纲（Arachnida）蛛形目（Araneae），种类繁多、广泛分布于世界各地。全世界目前有记载的蜘蛛有114个科，3951个属，共计45302种（NMBE - World Spider Catalog，截至2015.03.13）。蜘蛛丝在蜘蛛捕食、逃逸以及编织卵袋等活动中发挥着重要作用。蜘蛛在一生中都能产生一种或多种丝纤维，如古蛛亚目、原蛛亚目和新蛛亚目的蜘蛛分别可产生1种、3种和7种丝纤维蛋白。目前在研究领域受到关注最多的是圆网蜘蛛的蛛丝。圆网蜘蛛就是大家经常看到的那种结个大网的蜘蛛，它能分泌六种不同的丝纤维和一种黏液蛋白，这些七种丝纤维/胶粘物分别为主壶腹腺丝、次壶腹腺丝、鞭状腺丝、管状腺丝、葡萄状腺丝、梨状腺丝和粘合物，它们的性能各有特点，分别由七种腺体产生。 其中强度最高的是主壶腹腺丝，可达1.5GPa，与高强度钢（high-tensile steel）相当。次壶腹腺丝与主壶腹腺丝相仿，但更细。鞭状腺丝弹性最好。 不同类型的蛛丝纤维虽然机械性能差异较大，但是均具有自身突出的性能优势，与其行使的功能高度一致。从分子水平分析，蛛丝纤维的化学本质均为蛋白质，是由蛛丝蛋白聚合而成的高性能聚合纤维。蛛丝蛋白分子量较大，可达300kDa。典型的蛛丝蛋白结构可分为N端非重复区（NT，约130个氨基酸）、C端非重复区（CT，约110个氨基酸）和中间重复区（Rep，占到整个蛋白序列的90%以上），不同的蛛丝蛋白纤维性能主要由重复区决定，NT和CT主要在蛛丝蛋白高浓度存储和成丝过程中起到调节作用。 由于蛛丝蛋白巨大的分子量，其编码基因也很长，可达10~20kb，这就导致了其全长基因获取困难，目前仅得到了三种蛛丝蛋白的全长基因，即主壶腹腺丝、次壶腹腺丝、葡萄状腺丝的全长编码基因。其余的很多报道都仅有部分编码序列，所以目前仿生蛛丝的研究有两个方向，一个是利用已知的蛛丝蛋白C端、N端和重复区的DNA序列中的一种或多种进行人工拼接来模拟天然蛛丝蛋白，我们称之为人工重组蛛丝，另一种是尝试获取完整的天然蛛丝蛋白来进行人工仿生。 由于蛛丝蛋白编码基因中存在大量的重复序列（Rep区）和其特殊的氨基酸构成（丙氨酸、甘氨酸含量高），导致人工生产极其困难，产量极低，目前人工重组蛛丝生产中最大分子量可以达到280kDa，蛋白产量仍不能满足工业生产需求。完整天然蛛丝蛋白获取仍无大的进展，我们还在尝试中。我们的合作伙伴目前单次发酵生产能获得0.5kg蛛丝蛋白，1g蛛丝蛋白可以纺出100000m纤维，具体情况我不太清楚，但距离大规模生产应用仍然较远。 还有就是如何把得到的蛛丝蛋白纺成人工蛛丝，因为蛛丝的成丝过程与其性能密切相关 最后讲一下人工蛛丝的性能，目前最好的人工蛛丝里，强度最好的能达到天然蛛丝的一半，弹性最好的能达到天然蛛丝的三分之一。 ==================下面是简短答案================== 简单来说，从化学本质上来说，人工蛛丝和天然蛛丝都是蛋白质聚集而成的聚合纤维，它们的蛋白分子结构相似，但具体氨基酸序列差异巨大。目前我们已经可以人工表达出蛛丝蛋白并人工仿生出与天然蛛丝相似的蛛丝纤维，但性仍有较大差距。由于蛛丝蛋白的特殊性质，蛋白生产量实在是惨不忍睹，所以在人工蛛丝的生产应用上，我们仍有很长的路要走。 ==================简短答案到这里================== 综上，目前我们虽然在利用基因工程进行人工蛛丝生产上努力了35年，但结果仍然很不理想，我们还有很多不清楚的地方，比如我们连编码基因都没找全╮(╯▽╰)╭ 至于实际应用，我想应该是没有应用（╯°口°）╯︵┴─┴ 但是可以开开脑洞，比如蛛丝纤维比Kevlar性能好，所以我们可以制造防弹衣，和现在的防弹衣比又好又轻又透气还晶晶亮。。。。把它织成大网，让飞船拖着去捞太空垃圾。。。。做医用缝合线，又细又牢固，还能被人体吸收省的拆线。。。。 但是你首先得能工业生产(─.─||| ==================2015.03.16更新================== 评论区有同学问可不可以养殖蜘蛛。 答案是不可以。蜘蛛因为捕猎的需要和同类相食的习性无法大规模养殖，而且蜘蛛的产丝量相比蚕也很低。目前唯一（此处存疑）可以大规模人工饲养的蜘蛛是虎纹捕鸟蛛（Ornithoctonus huwenna），也叫地老虎，在国内分布于广西、云南、海南，是国内最大体形的穴居蜘蛛。在广西等地有人专门饲养，但穴居蜘蛛不结网，只在产卵和进食时吐丝。所以每次在喂食后可收集到一定量的丝纤维。但具体为什么不能大规模应用的我不太清楚，很可能与饲养成本和吐出的丝纤维强度有关。 【孙亚飞的回答(3票)】: 结合 @Suyoung Wang的答案，再补充一点点材料方面的tips： 成分即便完全一样，也不代表就会有着同样的性能。 清华大学的石高全老师曾经这么点评蛛丝：蛛丝和蚕丝都是以蛋白质为主要成分，分子间的作用力基本类似，分子量也差不太多，但力学性能却立分高下，蛛丝是自然界强度最高的纤维，蚕丝就很普通，归根到底就是一个问题，蚕宝宝太胖！所以同学们，一定要注意减肥！！！ ==================== 上面这句话虽然很有些调侃，但却不是毫无道理，不是因为其励志，而是因为这句话揭示了高分子材料加工过程中取向的重要性。（同样，回答尽量减少术语的使用，专业上不精确的地方见谅） ----------------------------- 取向这个问题并不复杂，我们可以想象一下竹子的构造。竹子很容易纵向劈开，但要想从横断面砍断就非常难了，要是更想不开打算直接靠拉力去拉断竹子，那就不是一般人力所能为了。这个道理很简单，因为很容易观察，竹子的纤维结构都是纵向排列，这样我们就发现了这样一种各向异性的特征。这样的好处显而易见，在纵向维度上，竹子收获了高强度，竹纤维也因此拥有了很高的应用价值。这就是肉眼可见的一种“取向”。 -------------------------- 我们都知道，高分子就是把小分子用化学键连成了一长串，像聚乙烯，就是-CH2-这个单元的不断重复，最稳定的热力学微观状态是锯齿状的形式。然而，我们也知道，即便是宏观的一根长绳也是以蜷成一团的状态稳定存在，同样，聚乙烯也不会老老实实保持最稳定的锯齿状，而是四仰八叉什么样儿都有，以至于宏观来看，一般的聚乙烯材料根本不具有各向异性的特点，而是成为了一种各向同性的塑料。 ------------------------- 如果突破不了这个瓶颈，那么人造纤维可能也就不存在了。后来人们想到了一种方法，终于解决了这个问题就是所谓的高分子纺丝工艺。其实纺丝工艺可谓是蛛丝的仿生设计，直观上理解，其实就是让高分子材料固化定型的同时，在轴向外加一个力，从而实现对高分子的取向。当然，这个过程不是对所有高分子都有效，如果拿的是聚异戊二烯，就目前的技术怎么纺也都是橡胶。但确实很多具有强极性键（但分子本身不一定具有极性）的高分子可以通过这个手段进行一个维度的取向，成为性能优异的纤维材料。 --------------------------- 也不是没有讨巧的办法，如果对材料稍有了解，一定听说过芳纶这种东西。芳纶在人类自制的高强度纤维里可以排到前几位，这么牛的表现全倚仗它的微观结构。如果说聚乙烯是一根绳子，那么芳纶的分子就是一根钢筋。把分子做成刚性的，不就不会蜷成一团了吗？这就是材料学家们讨巧的办法，而且已经成为了现实。目前，芳纶是军工纤维中最受欢迎的材料之一。 --------------------------- 再回到蛛丝的问题上，我们合成蛛丝这样的高分子虽然很难，但更难的其实还在于如何让它发挥出高强度的性能来。撇开蛋白质的二级结构、三级结构不谈，就是最后的加工过程就非常值得考究。同样的高分子材料，用不同的纺丝机械和技术，可以得到性能迥异的产品。同样，如果我们合成出了蛛丝，然后用蚕宝宝蠕动着来吐丝，而不是像蜘蛛一样嗖地飞来飞去，结果得到的产品也差不多只是蚕丝一样的性能，谁让萌蠢的蚕跑不动呢。说起来，塑料挤出工艺也有些向蚕致敬的意思呢。 -------------------------- 不说高大上的转基因技术，其实纯化学方法合成类蛛丝材料的工作也有不少人在做。有一种技术叫自组装，这也是近年来高分子领域中被热捧的领域，有兴趣的话可以看看这个技术简单的入门介绍 这个技术应该很有未来，不过解决不了眼下工业上对高强度纤维的需求，所以一些量产高分子材料还是当下高强度纤维的主角，除了上述的芳纶外，还有大名鼎鼎的超高分子量聚乙烯和碳纤维等。当然它们除了强度以外，其他的很多性能都与蛛丝完全不匹配。 ------------------------------ 至于说蛛丝的应用嘛，最好用的地方还是语言学，日常不老说“蛛丝马迹”么。。。 好吧，应用方面不敢妄自拽测，因为很多领域不是缺什么才去开发什么，而是开发出了某种材料然后新生了很多领域，就好比铜器时代的人去思考铁器如何应用一样。所以，拭目以待吧，记得先减肥！ 【你逗我的回答(0票)】: 貌似不能捉虫子 【唐马儒的回答(0票)】: 蜘蛛侠 【高手的回答(0票)】: 就没人关心蜘蛛侠么？ 原文地址:知乎 |
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