让蚕宝宝吐出蜘蛛丝

美国《蜘蛛侠》系列电影深受观众欢迎，电影中的主人公彼得·帕克被一只经过基因改造的蜘蛛叮咬后，能像蜘蛛一样，可随意放出强韧蜘蛛丝，支撑自己在空中自由飞行，成长为一个力量超凡、行侠仗义的超级英雄。最近，科学家们还真培育出一些能吐蜘蛛丝的特殊“蜘蛛侠”，它们就是能吐出“蜘蛛丝”的蚕宝宝。

蜘蛛丝有什么特殊用途

在大多数人眼中，蜘蛛就是长相难看的丑八怪，还时不时传出有毒有害的负面传闻。其实，大多数蜘蛛可是不折不扣的益虫，能捕猎苍蝇、蚊子等害虫，而且它们吐出的蜘蛛丝还有更大用处。在蜘蛛丝中最受科学家关注的是牵引丝，由于其特殊的氨基酸组成及蛋白空間结构，赋予了蜘蛛牵引丝极高的韧性、弹性和抗张力性。其强度是相同直径钢丝的5倍，与目前广泛应用的防弹衣材料“凯夫拉”纤维的强度相当，同时具有较好的组织相容性、生物可降解性和低密度，因此被誉为自然界机械性能最优异的蛋白质丝纤维。

性能优良的蜘蛛牵引丝不仅是制造防弹衣、防弹头盔的绝佳材料，还可以用于制作可降解的手术缝合线、人工关节、人造韧带等医学材料，甚至可开发成航空材料、运动装备等产品。不过，天然蜘蛛丝只能依靠蜘蛛腹部的腺体合成和分泌，一只蜘蛛每天所产丝不到1毫克，而且蜘蛛为食肉动物，有互相残杀习性，因此很难通过人工饲养蜘蛛来获得足够的蜘蛛丝。

蚕宝宝吐出蜘蛛丝

随着基因工程技术的发展，科学家们也一直在寻求大规模生产蜘蛛牵引丝蛋白的新技术。同为吐丝专家的家蚕，人类最早7000多年就开始驯化，非常适合人工养殖，而且家蚕的蛋白质生产能力非常强，如果能用转基因技术让蚕宝宝吐出蜘蛛丝那就太给力了。

2009年，中国西南大学和日本信州大学的研究团队就开始这方面工作了，他们通过一种转座子介导的转基因技术，获得了整合有蜘蛛牵引丝蛋白基因和红色荧光蛋白基因的转基因家蚕。相对于普通蚕丝，其机械性能均有所提高，但还远次于天然蜘蛛丝。2012年，美国怀俄明州立大学和浙江大学研究人员合作开发出一种表达家蚕和蜘蛛嵌合丝蛋白的转基因家蚕，这种改造的丝纤维具有更优良机械性能。为提高丝纤维的机械性能，他们将家蚕和蜘蛛的丝蛋白基因进行重组，合成了一个嵌合基因。重组丝纤维的韧性与天然蜘蛛牵引丝相当，高出天然蚕丝一倍以上，最大可拉伸率比天然蚕丝和蜘蛛牵引丝均高50%左右，但是只相当于天然蜘蛛牵引丝的一半，其机械性能仍有较大的提升空间。

2014年，日本国家农业生物研究所将蚕丝蛋白重链蛋白启动子和蜘蛛牵引丝蛋白基因进行重组，并对牵引丝蛋白基因序列进行了优化，仍然采用转座子转基因技术，培育出表达牵引丝蛋白的转基因家蚕，而含重组牵引丝蛋白的转基因蚕丝机械性能均有所提高，最突出的是韧性，比普通蚕丝提高了50%以上。引人注目的是，该研究小组还将这种转基因蚕丝纺织成丝线，并制作成女士背心和围巾，这也是首次将转基因蜘蛛丝制作成实用产品，标志着转基因蜘蛛丝离实际应用更进一步了。

转基因蜘蛛丝

离应用还有多远

尽管转基因家蚕能有效表达重组牵引丝蛋白，但是离规模化生产蜘蛛丝还有一定距离，其中最大的障碍之一是重组牵引丝蛋白表达效率低下，很多研究人员都为此而绞尽脑汁。

中国西南大学夏庆友教授团队提出了一个新思路：即利用锌指酶基因编辑技术，对家蚕的蚕丝蛋白重链基因进行了基因修饰，使其不能表达蚕丝重链蛋白。由于蚕丝重链蛋白是蚕丝中分子量最大和数量最丰富的蛋白成分，一旦减少了该蛋白表达，则为其他蛋白的生产腾出了空间。研究人员还将绿色荧光蛋白基因转入家蚕体内，是其在转基因家蚕体内的表达水平显著提高，可以占到蚕茧体重的50%，这表明这种新思路非常有效。该课题组计划下一步将这个体系用于大规模生产胶原蛋白、人血清白蛋白、单克隆抗体和牵引丝蛋白等重组蛋白。

同时，转基因家蚕制备效率偏低也是制约转基因家蚕产业化的重要因素之一。浙江大学钟伯雄教授团队首次成功建立了借助于TALEN技术的高效家蚕转基因技术，将家蚕转基因效率从10%提高到70%，并成功导入了分子量接近黑寡妇蜘蛛牵引丝的基因，蜘蛛复合丝的性能获得了显著提高。

经过4亿多年的进化，蜘蛛拥有了一套自然界中独一无二、精巧绝伦的分泌蜘蛛丝、织网捕食本领。很显然，人类想用几十年时间，完全模仿出蜘蛛这种独门功夫，并非易事。不过，随着基因工程技术不断发展，人造“蜘蛛侠”的种种难关必将会被聪明的科学家们一一攻破，届时，那些会吐蜘蛛丝的蚕宝宝也将成为耀眼的明星。endprint