蛋白质的行为可能是合成丝的关键
世界可能离漫画书的现实又近了一步。
一个跨大西洋的科学家合作小组揭示了丝绸的一种关键蛋白质的结构，并发现了这种蛋白质的一种以前未知的行为：自组织成直径为单个分子的微小原纤维。这一发现为最终制造合成蚕丝奠定了基础——不仅是蚕丝制成的奢侈面料，还可以制造超级英雄蜘蛛侠的粉丝所熟悉的超坚韧蜘蛛丝。
Hannes Schniepp警告说，世界上的纺织厂不太可能在不久的将来开始生产“蜘蛛丝”，但他说，他对丝蛋白结构及其自组织行为的描述是朝着这个方向迈出的重要一步。施尼普是威廉与玛丽学院应用科学系的助理教授。他和研究生蔡敏珍以及英国牛津大学的一组合作者一起发表了一篇从分子水平上描述丝绸的论文。
“丝绸是一种聚合物，”施尼普解释说。“这不是一种合成聚合物，而是一种由蛋白质组成的聚合物。”
合成塑料是聚合物，但这些大分子在自然界中也很常见。施尼普指出，人体的大部分——包括dna——是由各种聚合物构成的。
他说：“丝绸的迷人之处在于，就其机械性能而言，丝绸比我们能合成的任何聚合物都要好。”“特别是，某些蜘蛛丝甚至比凯夫拉尔（Kevlar）还要坚韧，凯夫拉尔是我们拥有的高性能聚合物。”
你不能养蜘蛛
几千年来，人们一直用蚕茧编织丝绸。人类使用蜘蛛丝的程度要小得多，但蜘蛛已被证明是不可能培育的：“它们开始互相吃掉，”施尼普说。
自从人类开始造丝以来，找到制造合成丝绸的方法就一直是材料科学的圣杯。经过多年的科学研究，蚕和蜘蛛造丝的生物化学和机制的确切性质仍然难以捉摸。
“最大的问题是蜘蛛是如何做到的？”蚕是怎么做到的？施尼普说。“问题是，这是一种很小的动物，它在动物体内发生的情况非常小，几乎不可能观察到那里发生了什么。”
他说，大多数关于丝绸结构的科学研究都集中在通过显微镜和其他分析工具对产品进行检查。这项研究对丝的结构性质有了相当多的了解，但科学家们不知道单个丝蛋白的形状。
Schniepp和他在William & 玛丽的团队采取了与大多数材料科学家不同的方法，取样了“丝液”，这是蚕体内的凝胶状物质，蚕分泌这种物质来结茧。
“很多生物分子对变化非常敏感。所以你越接近原籍国，你得到的信息就越有价值。”
用丝质涂料工作
Schniepp和他的研究小组在他们的McGlothlin-Street Hall佳博体育里使用原子力显微镜（AFM）检查了丝绸，AFM是一种能够在纳米尺度上观察材料的仪器。在将它们放入原子力显微镜之前，他们先准备好丝液，用一点水稀释样品，然后在盘子上旋转样品，这样丝液就会在表面展开。
“当你在这样的盘子上旋转液体时，你会剪切它。这对这些蛋白质的作用与动物的作用类似，”他解释说。“它们有一个产生这种物质的腺体，最后是一个类似喷嘴的东西。所以他们通过喷嘴把这些物质挤出来。要产生类似的效果，可以剪切溶液。通过快速旋转，液体被挤出来，这就像动物把丝绸挤出来一样。”
当材料被剪切时，会发生许多奇怪的事情。首先，水溶性的丝绸涂料已经变成了防水的东西。更重要的是，正如Schniepp所描述的那样，剪切以某种方式诱导单个蛋白质“找到彼此”，并自我组织成原纤维。原纤维只有一个分子那么粗，是丝中最细的线，也是丝纤维的前身。
通过原子力显微镜（AFM）放大，每根原纤维显示了单个蛋白质聚集的位置。放大后的照片像一串珍珠。这是首次以如此高的分辨率对土蚕蛋白的结构进行成像。
关于丝绸的工作是由杰弗里斯纪念信托基金支持的。Schniepp在《生物大分子》杂志上发表了一篇题为《原子力显微镜下天然丝蛋白剪切诱导自组装成原纤维的研究》的论文。牛津大学的弗里茨·沃尔拉斯（Fritz Vollrath）是作者之一，蔡也是作者之一。他们正在继续研究这种材料的结构。
“我们不知道丝绸还为我们隐藏了什么秘密，”施尼普说。
