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蜘蛛吐丝既强又韧重要机制破解 丝腺液体转变诱因成难点

来源:科技日报 时间:2020-11-09 10:58:52

蜘蛛丝为何兼具强度和韧性?日本科学家在实验室用化学工具模拟了蛛丝从吐丝器官中有序喷出的过程,解密了这一自然现象背后的机制,为人类模拟蜘蛛吐丝过程,并在未来创造超韧可持续材料提供了理论基础。相关研究发表在最近出版的《科学进展》杂志上。

蜘蛛丝形成初期是液体形式,但不到一秒,这种黏稠液体状的蛋白质就发生转变。在离开蜘蛛身体时,被称为蜘蛛丝蛋白的物质会自我折叠并交织在一起,在不受任何外力引导的情况下,构建出高度有组织的结构。

日本理化学研究所可持续资源科学中心的结构生物学家和生物化学家阿里·马来说:“这种自组装过程可以制造出具有独特性能的材料。”

多年来,科学家一直在试图模拟蛛丝,希望创造出超强韧并可持续使用的材料。为此,他们一直在研究是什么化学诱因把储存在丝腺中的液体变成了蛛丝。

此次,研究人员提出了一种新方法,在实验室里用化学工具模拟了蛛丝从吐丝器官中有序喷出的过程。他们发现,吐丝的一个关键步骤是,蜘蛛要把蛛丝蛋白从包裹在丝腺内的水缓冲液中分离出来——这一步会使蛋白质高度浓缩;随后,大量涌入的酸性物质促使蛋白质安全地互锁。

瑞典卡罗林斯卡研究所专家安娜·瑞斯(未参与本实验)表示,蜘蛛丝在离开蜘蛛身体时必须经历蜕变。当蜘蛛丝蛋白还在腺体中时,它们必须以“极高浓度”的液体形式悬浮,几乎像牙膏一样黏稠。

研究人员还发现,液体状的蛛丝蛋白在移动过程中的脱水是这种自我组装的先决条件。进一步研究表明,时机和效率都是吐丝过程的关键要素。如果蛛丝太早变硬,就会阻塞蜘蛛的腺体;时间太晚,蜘蛛可能只吐出不成形的液体。

这篇论文用简化的实验室模型取代真实的蜘蛛。阿克伦大学的蜘蛛丝研究员安吉拉·阿丽西亚-塞拉诺(未参与本实验)表示,这项有意义的研究让人们一窥蜘蛛吐丝背后的重要机制与过程。“我们曾看到过很多这个过程的开始和结束,但没有看到两者之间的重要过程。”

总编辑圈点

蜘蛛不是科学家,却能吐出兼具强度和韧性的蛛丝,令人类科学家都叹为观止。这应该归功于大自然的鬼斧神工,是漫长的自然选择促进蜘蛛不断进化,从而拥有了适应生存环境的神奇能力。对于类似科学奥秘的破解和模拟,属于仿生学范畴,相关研究对于推动现有科学技术的发展大有助益。

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