材料百态

出品：科普中国

作者：朱珈仪 缪庆蓉 张婕（重庆科技馆）

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

大千世界无奇不有，你能说出动物界有哪些能吐丝的宝贝？蚕、蜘蛛、毛毛虫……如果这些都太过寻常，不知你是否听说过会吐蜘蛛丝的蚕？没错，这可不是道听途说。

蜘蛛丝是一种非常坚韧的材料，有“生物钢材”之称，兼具强度高（指材料抵抗变形和断裂的能力）、韧性强（指材料抵抗冲击的能力）的特性，在军工、医疗领域应用广、需求大。但蜘蛛们喜欢独居，遇到同类会相互残杀，无法实现大规模的量产，且其本身产丝量不多，因此，想以天然方式实现大规模生产蜘蛛丝是行不通的。

既然蜘蛛拒绝合作，科学家们就把目光放到了会吐丝的蚕宝宝身上，想到了这个“改造家蚕”的办法——让“蚕吐蜘蛛丝”，从而实现蜘蛛丝的低成本、高产量获得。

家蚕是群居动物，一只蚕宝宝一生可以吐出1000到1500米长的蚕丝，产量不容小觑。此外，科学家经过对家蚕基因以及消化系统的研究，研制出适合蚕宝口味的家蚕饲料，并建立了机械化、规模化、自动化的养蚕工厂，不仅保证了饲养环境卫生，产出高洁净蚕丝，而且养蚕不再受季节和地域限制，比吃桑叶的蚕宝身体更健康，养殖成本更低，生产效率更高。

蚕的一生（生命周期）

（图片来源：手绘原创图）

怎样让蚕吐蜘蛛丝？

答案就是，科学家通过给蚕做“基因手术”，让家蚕化身成“蚕宝宝蜘蛛侠”。基因是研究蚕丝性能的关键。我国一直重视家蚕基因组的研究工作，早在2003年，我国成为世界上首个独立完成家蚕基因组框架图绘制工作的国家，为实现家蚕基因的自由编辑奠定了坚实基础，该项工作也是我国在相继完成人类基因组1%测序工作、水稻基因组测序工作之后的第三项重要基因工程。

“基因手术”学名叫作“基因编辑技术”。我国科学家通过基因编辑技术，成功将蜘蛛的DNA编辑到蚕的体内，使得普通的家蚕可以分泌出含有蜘蛛丝蛋白的蚕丝，从而大大提高蜘蛛丝蛋白的产量。

经过“基因手术”的蚕，吐出了比蜘蛛丝本身韧性还高的蜘蛛丝，并生产出全球首个完整全长的蛛丝蛋白纤维，其拉伸强度达1299兆帕，韧性达319兆焦耳/立方米，其韧性比美国杜邦公司研发、可用于制作防弹衣的凯夫拉纤维的韧性高6倍。凯夫拉纤维，又称Kevlar，是美国杜邦公司研制的芳纶复合材料，是一种高性能的有机纤维，其抗张强度是一般有机纤维的4倍，甚至达到了钢铁的5倍。

除了让“蚕吐蜘蛛丝”，西南大学生物学研究中心通过基因操作手段，在蚕丝中加入金属离子，成功提高了丝纤维的强度。

拥有不同家蚕基因就能取得不同的技术成果？

科学家通过调控蚕丝蛋白的合成和表达，进而影响蚕丝的产量和质量以及蚕丝蛋白的性质和功能。

蚕丝蛋白分为丝素蛋白和丝胶蛋白。丝素蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，是蚕丝的核心纤维部分，其含量约占蚕丝的70%～80%，通过对家蚕的丝素基因进行改造或者对影响家蚕丝蛋白剪切力、金属离子或水含量的基因进行改造，就能改变丝素蛋白的性质，获得具有更高强度和韧性的蚕丝，用于制备具有超强机械性能的材料。

比如，科学家根据蚕丝纤维的韧性和强度特性，制作出“蚕丝牌”防弹衣、防毒面具、降落伞、捕鱼网等。

不仅如此，蚕丝还进军到生物医用领域，科学家利用家蚕丝腺作为“生物工厂”生产高附加值药物蛋白，就可以获得含量特殊成分（如生长因子、乳铁蛋白、超氧化物歧化酶等）、具有促进细胞增殖、抗氧化抗炎活性等特定功能的新型蚕丝，开发具有医疗用途的功能性蚕丝生物材料，如伤口敷料、人造皮肤、人工骨、人造血管材料等，就连“仿生接骨”也不在话下，具有巨大的应用潜力和市场前景。

蚕丝结构横切图

（图片来源：原创手绘）

蚕丝在蚕宝肚子里如何预防打结？

蚕丝的形成过程是蚕通过丝腺分泌液体蚕丝蛋白，这些液体蚕丝蛋白在特定条件下凝固成固态的蚕丝，从而形成茧。这个过程涉及多个步骤和复杂的生物化学机制，是蚕自然生理过程的一部分，确保了蚕丝能够连续不断地从蚕体内吐出，而不发生打结或纠缠的情况。

简而言之，蚕丝在吐出来之前是液态，到体外才变为固态。所以不存在“在肚子里打结”的问题。这里说的丝腺是家蚕吐丝前体内最大的器官，也是超高效的“蛋白质合成工厂”。丝腺细胞数从娘胎里出来就是不变的，大约有1000个。它只进行细胞肥大生长，不发生细胞分裂。蚕一旦进入5龄，即成虫阶段，其全身的代谢系统都开始向合成丝的方向转移，以惊人的高效率合成丝蛋白。

家蚕丝腺解剖图

（图片来源：西南大学）

2014年11月20日，西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室通过敲除Fib-H基因获得空丝腺，使蚕吐出人工合成蚕丝蛋白，这在国内外尚属首次。

近年来，西南大学蚕丝科学与技术研究团队采用前沿的蚕丝生物材料设计理念与加工技术，利用蚕丝蛋白优异的力学性能、生物相容性、促细胞增殖、抗氧化等生物学优势，开发特殊功能性蚕丝基复合材料、蚕丝美容护肤品。

功能性蚕丝医用材料

（图片来源：西南大学）

如采用智能自动化养蚕技术生产纯净无污染的蚕茧，生产具有生物降解性和显著修复功效的蚕丝骨钉、蚕丝支架，以及多级工艺纯化出易被皮肤吸收的小分子量蚕丝蛋白，保留了蚕丝蛋白的保湿、抗菌、抗炎、抗氧化等多重功效，生产了具有延缓衰老的功能性蚕丝护肤品等，在医疗、美容等领域具有广泛的应用前景。

未来，蚕丝仍是科学家做大量研究的对象，让我们一起期待新的进展吧！

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专家团队：陈玉琳 胡文波（西南大学生物学研究中心）

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