上海交大夏小霞教授/钱志刚研究员AFM综述：人工蜘蛛丝材料的创制

在自然界中，蜘蛛丝以其卓越的强度和韧性而闻名，有望应用在特种装备、医疗植入器械等领域。然而，由于蜘蛛养殖困难，收集大量天然蜘蛛丝仍然具有挑战。随着合成生物学的发展及其与材料科学的结合，大量研究已转向工程化生产及创制人工蜘蛛丝材料。近日，上海交大夏小霞教授/钱志刚研究员基于其长期的研究基础在《Advanced Functional Materials》发表了一篇综述文章，为我们揭开了人造蜘蛛丝材料的神秘面纱。

近年来已经有综述总结了提高人造蜘蛛丝蛋白产量的合成生物学方法以及纺丝技术的进步，以再现天然蜘蛛丝并创造新功能。然而，目前仍然缺乏从介观结构转变的视角，深入剖析蛋白质从微观分子到宏观材料的组装过程，以及三者之间的协同互作。因此，这篇文章系统地阐述了人工蜘蛛丝材料的制备——从精细的分子设计出发，通过介观层面的分子组装，最终实现宏观性能的精妙调控。

图1 通过分子设计、介观组装和宏观调节制备人工蜘蛛丝蛋白材料

分子设计：源于自然，超越自然

蜘蛛丝优异的力学性能主要归功于其复杂且精细的多层级结构——由β-折叠晶体、α-螺旋和无规则卷曲结构共同组成。基于对天然蜘蛛丝成分和结构的逐渐深入理解，研究人员设计出了一系列人造蜘蛛丝，主要基于重复特征序列和模块化功能域，为各种应用量身定制。设计策略包括仿生设计、定点突变、嵌合蛋白融合和从头设计等。例如，夏小霞课题组在分子水平设计改造了重组蛛丝蛋白核心序列的聚丙氨酸基序，并生产得到了一系列新的仿生蜘蛛丝蛋白质，不仅实现蛛丝蛋白形成稳定可控的纳米纤维组装体，还通过纺丝得到强度 (623.3 MPa) 和韧性 (107.1 MJ m −3) 均大幅提高的人造蜘蛛丝纤维。除了对蜘蛛丝蛋白进行仿生设计，研究人员可通过引入工程序列或功能域模块来赋予它们超越天然的功能特性。

随着近年来计算生物学的发展，人们还基于“序列-材料特性”数据库建立了算法模型，甚至能够生成新颖的蜘蛛丝序列，这些序列具有自然界中不存在的性状组合，并且通过对序列模式和相关特性的详细分析，可以优化设计策略以微调人造蜘蛛丝各个属性，包括力学强度、溶解度、生物降解性和生物相容性等。这使得具有特定功能和性能的丝纤维的从头设计和合成成为可能，以满足各个领域的应用需求。

分子设计后，选择合适的表达策略可以保证人工蛋白质的生产水平及质量，常见手段包括宿主选择、翻译后蛋白质聚合、细胞和代谢工程等。蜘蛛丝蛋白的超长且高度重复的序列造成的遗传不稳定、对某些转运RNA（tRNA）的高需求、转录或翻译的过早终止以及大蛋白产物的潜在降解等问题，导致高效生产难题。夏小霞-钱志刚联合研究团队使用代谢工程手段，通过增加甘氨酰-tRNA的供应并采用低温诱导表达策略，大幅提高了大肠杆菌胞内合成高分子量重组蛛丝蛋白的产量，达到3.6g/L。之后，为了简化蛋白质纯化工艺，课题组首次开发了谷氨酸棒状杆菌的蛛丝蛋白胞外分泌平台，实现了高水溶性的重组蛛丝蛋白生产，为工业化生产奠定了基础。

图2 仿生及功能性嵌合的分子设计策略

介观组装：过程精细，排列有序

介观层面的材料组装不仅涉及蛋白质分子如何相互作用和构建更高级别的结构，还涉及如何利用这些结构来实现和优化特定宏观性质，例如力学强度、韧性和生物相容性。因而缺乏对亚微米级组装的理解会在微观分子和宏观材料之间造成脱节。文章总结并展望了这些组装过程及其对人造蜘蛛丝最终性能的调控作用，强调了介观组装的重要意义。为了阐明天然蛛丝蛋白的介观组装过程，目前领域内大多以液-液相分离（LLPS）、液晶模型和胶束模型三种机制进行解释，主要区别在于每个模型的中间态分别对应于高动态液滴（凝聚物）、棒状结构液晶或胶束。

受蜘蛛自然纺丝过程的启发，文章也提供了几种调控人造蜘蛛丝介观组装的策略：1）调节pH值、离子环境或蛋白浓度来调整分子间或分子内相互作用力，以组装成胶束、纳米原纤维或凝聚物；2）对蛋白溶液施加有效的剪切力，以增强它们的分子链取向和排列。值得强调的是通过LLPS实现的介观组装可能使人造蜘蛛丝未来在拉伸强度、结构稳定性和功能方面接近甚至超过天然蜘蛛丝，从而显著扩展其潜在应用。

图3 重组蛛丝蛋白的介观组装和调节

宏观调控：前沿应用，百花齐放

通过人工蜘蛛丝蛋白的多级组装与加工创新，研究者们不断将其转化为超越自然的高科技材料。因此文章总结了人造蜘蛛丝的纺丝方法、独特的性能以及它在各种领域内的创新应用。在介观层面基础上，研究者们使用不同纺丝手段（干纺、湿纺、静电纺丝、微流控纺丝等）、后拉伸处理以及多组分工程制备性能优异的人造蜘蛛丝。

如果根据蛋白原液离开蜘蛛腺体前和后将纺丝过程分为两个阶段，那么传统的湿法和干法纺丝试图模拟后一阶段，而微流体纺丝旨在模拟蛋白原液在腺体内部的转变（前一阶段）。将这两个阶段有效地整合在一起以模拟整个纺丝过程仍极具挑战性。最近，研究人员试图通过设计一种集成微流控装置来实现这一目标，模拟了蜘蛛腺体内的环境。尽管该装置包含三个重要的组装过程——离子诱导的液-液相分离、pH驱动的原纤维化和剪切诱导的β片层形成，但所得纤维仍然表现出较差的力学性能。主要原因可能是由于缺乏后拉伸处理工艺来优化β片结晶和对齐。因此，微流控芯片和后拉伸工艺的结合将是未来人工蛛丝创制的重要方向。

与分子水平的蛋白质设计不同，为了赋予材料功能，研究者们也在纺丝过程中将蛋白原液与其他类型的蛋白原液或功能材料混合，利用不同蛛丝蛋白的分子相互作用和互补特性来生产性能优异的复合材料。此外，除了丝纤维之外蛛丝蛋白也衍生出不同的材料形式。夏小霞和中科院微系统所陶虎研究团队创造性地使用重组蜘蛛丝蛋白作为光刻胶，通过离子、电子束光刻技术高保真地制造功能性、任意3D纳米结构，为赋予不同的生物功能提供了绝佳的机会，可用于生物医学领域。这项研究不仅丰富了蜘蛛丝材料形式的多样性，而且为功能性蛛丝蛋白材料的制备提供了先进的技术。

图4 人造蜘蛛丝材料的宏观调节及前沿应用

在未来，人造蜘蛛丝领域的研究重点将聚焦于人工蛛丝蛋白的计算机辅助设计和生产过程的综合优化上，在确保可持续性和经济性的同时追求高通量、大规模和高质量的产出。建立“序列-结构-性能”设计体系，深入了解每个氨基酸残基对介观尺度组装、整体性能和功能的影响，这将指导人造蜘蛛丝材料的未来研究轨迹。对蜘蛛丝蛋白的介观组装动力学和LLPS机制的进一步研究将为开发新一代高性能生物材料提供理论和技术基础。此外，加强材料科学、生物工程、纳米技术和计算科学等领域的跨学科合作对于推进人造蜘蛛丝研究至关重要。

人造蜘蛛丝材料因其独特的物理化学性质和可调节的功能特性，在现代技术领域中的潜在应用是无限的。随着设计和制造技术的不断进步和创新，我们有理由相信在不久的将来，这种高科技材料将走出实验室，广泛应用于人们的日常生活中，为人类社会带来更多的便利和可能性。

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