知乎日報：人造蜘蛛絲和真的蜘蛛絲在成分上有區別嗎？

　　最近正好在寫項目計劃，我就從裏面摘錄整理一下來回答。儘量減少術語的使用，讓大家都能看明白，但仍需要有一些高中水平生物學概念。

　　首先明確一下，因為我的研究方向的關係，我回答中的人造蛛絲，指的是利用基因工程手段，製造出的與天然蛛絲性能相似的人工纖維，不考慮用其他通過仿生學手段模擬蛛絲的分子結構開發出的人工纖維，因為我確實不太瞭解，但我知道的有 MIT 曾經模擬天然蛛絲的分子結構開發出了高強度的人工纖維，歡迎各路材料大牛來講一講。

　　因為題目中問了研究進展，而似乎知乎上關於蛛絲的內容都不太詳細，所以我講了很多，能讓大家有一個較為全面的認識，不想看的可以直接跳到最後看簡短答案。答案中列出的數據是我在文獻中看到的，也許會有遺漏，歡迎指出。

　　蜘蛛(Spider)屬於節肢動物門(Arthropoda)蛛形綱(Arachnida)蛛形目(Araneae)，種類繁多、廣泛分佈於世界各地。全世界目前有記載的蜘蛛有 114 個科，3951 個屬，共計 45302 種(NMBE - World Spider Catalog，截至 2015.03.13)。蜘蛛絲在蜘蛛捕食、逃逸以及編織卵袋等活動中發揮着重要作用。蜘蛛在一生中都能產生一種或多種絲纖維，如古蛛亞目、原蛛亞目和新蛛亞目的蜘蛛分別可產生 1 種、3 種和 7 種絲纖維蛋白。目前在研究領域受到關注最多的是圓網蜘蛛的蛛絲。圓網蜘蛛就是大家經常看到的那種結個大網的蜘蛛，它能分泌六種不同的絲纖維和一種黏液蛋白，這些七種絲纖維 / 膠粘物分別為主壺腹腺絲、次壺腹腺絲、鞭狀腺絲、管狀腺絲、葡萄狀腺絲、梨狀腺絲和粘合物，它們的性能各有特點，分別由七種腺體產生。

　　其中強度最高的是主壺腹腺絲，可達 1.5GPa，與高強度鋼(high-tensile steel)相當。次壺腹腺絲與主壺腹腺絲相仿，但更細。鞭狀腺絲彈性最好。

　　不同類型的蛛絲纖維雖然機械性能差異較大，但是均具有自身突出的性能優勢，與其行使的功能高度一致。從分子水平分析，蛛絲纖維的化學本質均為蛋白質，是由蛛絲蛋白聚合而成的高性能聚合纖維。蛛絲蛋白分子量較大，可達 300kDa。典型的蛛絲蛋白結構可分為 N 端非重複區(NT，約 130 個氨基酸)、C 端非重複區(CT，約 110 個氨基酸)和中間重複區(Rep，佔到整個蛋白序列的 90%以上)，不同的蛛絲蛋白纖維性能主要由重複區決定，NT 和 CT 主要在蛛絲蛋白高濃度存儲和成絲過程中起到調節作用。

　　由於蛛絲蛋白巨大的分子量，其編碼基因也很長，可達 10~20kb，這就導致了其全長基因獲取困難，目前僅得到了三種蛛絲蛋白的全長基因，即主壺腹腺絲、次壺腹腺絲、葡萄狀腺絲的全長編碼基因。其餘的很多報道都僅有部分編碼序列，所以目前仿生蛛絲的研究有兩個方向，一個是利用已知的蛛絲蛋白 C 端、N 端和重複區的 DNA 序列中的一種或多種進行人工拼接來模擬天然蛛絲蛋白，我們稱之為人工重組蛛絲，另一種是嘗試獲取完整的天然蛛絲蛋白來進行人工仿生。

　　由於蛛絲蛋白編碼基因中存在大量的重複序列(Rep 區)和其特殊的氨基酸構成(丙氨酸、甘氨酸含量高)，導致人工生產極其困難，產量極低，目前人工重組蛛絲生產中最大分子量可以達到 280kDa，蛋白產量仍不能滿足工業生產需求。完整天然蛛絲蛋白獲取仍無大的進展，我們還在嘗試中。我們的合作伙伴目前單次發酵生產能獲得 0.5kg 蛛絲蛋白，1g 蛛絲蛋白可以紡出 100000m 纖維，具體情況我不太清楚，但距離大規模生產應用仍然較遠。

　　還有就是如何把得到的蛛絲蛋白紡成人工蛛絲，因為蛛絲的成絲過程與其性能密切相關

　　最後講一下人工蛛絲的性能，目前最好的人工蛛絲裏，強度最好的能達到天然蛛絲的一半，彈性最好的能達到天然蛛絲的三分之一。

　　簡單來説，從化學本質上來説，人工蛛絲和天然蛛絲都是蛋白質聚集而成的聚合纖維，它們的蛋白分子結構相似，但具體氨基酸序列差異巨大。目前我們已經可以人工表達出蛛絲蛋白並人工仿生出與天然蛛絲相似的蛛絲纖維，但性仍有較大差距。由於蛛絲蛋白的特殊性質，蛋白生產量實在是慘不忍睹，所以在人工蛛絲的生產應用上，我們仍有很長的路要走。

　　綜上，目前我們雖然在利用基因工程進行人工蛛絲生產上努力了 35 年，但結果仍然很不理想，我們還有很多不清楚的地方，比如我們連編碼基因都沒找全╮(╯▽╰)╭

　　至於實際應用，我想應該是沒有應用(╯°口°)╯︵┴─┴

　　但是可以開開腦洞，比如蛛絲纖維比 Kevlar 性能好，所以我們可以製造防彈衣，和現在的防彈衣比又好又輕又透氣還晶晶亮……把它織成大網，讓飛船拖着去撈太空垃圾……做醫用縫合線，又細又牢固，還能被人體吸收省的拆線……

　　但是你首先得能工業生產(─.─|||

　　評論區有同學問可不可以養殖蜘蛛。

　　答案是不可以。蜘蛛因為捕獵的需要和同類相食的習性無法大規模養殖，而且蜘蛛的產絲量相比蠶也很低。目前唯一(此處存疑)可以大規模人工飼養的蜘蛛是虎紋捕鳥蛛(Ornithoctonus huwenna)，也叫地老虎，在國內分佈於廣西、雲南、海南，是國內最大體形的穴居蜘蛛。在廣西等地有人專門飼養，但穴居蜘蛛不結網，只在產卵和進食時吐絲。所以每次在餵食後可收集到一定量的絲纖維。但具體為什麼不能大規模應用的我不太清楚，很可能與飼養成本和吐出的絲纖維強度有關。