蜘蛛丝纤维

第三种途径
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利用植物来生产蜘蛛丝蛋白。这种方法是将能生产蜘蛛丝 蛋白的合成基因移植给植物，如花生、烟草和土豆等作物， 使这些植物能大量生产类似与蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后 将蛋白质提取出来作为生产仿蜘蛛丝的原料。如德国植物 遗传与栽培研究所(Institut fur Pflanzengenetik und Kulturpflanzen Forschung Gates Leben)将能复制Nephila clavipes蜘蛛拉索丝的蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给烟草和 土豆，所培植出的转基因烟草和土豆含有可观数量的类似 于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，90%以上的蛋白质含有420-3600 个碱基对，其基因编码与蜘蛛丝蛋白相似，这种经基因重 组的蜘蛛丝蛋白含于烟草和土豆的叶子中，也含于土豆的 块茎中。由于这种经基因重组的蛋白质有极好的耐热性， 使其提纯与精制手续简单而有效。
科学家对蜘蛛丝十分青睐是由于它具有广泛用 途





目前，，例如：降落伞绳索和人造血管等。在自然界，蜘蛛丝旋转 成线状结构，但在实验室中这种蛋白质可以重新排列为球体、薄膜 和胶囊状。 美国一支科学家小组曾试着基因改良山羊，在羊奶中产生蜘蛛 丝蛋白质。现在使用合成基因诱导细菌产生丝蛋白来形成一种人造 蜘蛛丝，细菌产生的丝蛋白是蜘蛛丝中的一种结构蛋白质。 之 后蜘蛛使用该技术有效地培育这种细菌，将这种丝蛋白编 织在蜘蛛丝中。目前，这家东京庆应义塾大学附属公司在蜘蛛丝技 术方面申请了16项专利。他们还与一家 汽车零配件制造商合作建 立一个工厂，每个月可制造99.8公斤的合成蜘蛛丝。Spiber公司希 望2015年能够实现一年生产10吨合成蜘蛛丝。 公司总裁Kazuhide Sekiyama说：“这种合成蜘蛛丝具有多种 行业用途，例如：汽车制造领域和医学领域等。”

生产途径

第一是利用动物如奶牛或奶羊来生产这种 蜘蛛丝蛋白；第二是利用微生物来生产；第三 是利用植物来生产。
蜘蛛丝

从蜘蛛的旋转腺中产生，它们具有很好的防渗水 性，部分透明，部分卷曲
同等粗细下蜘蛛丝的强度是钢铁的5倍，如 果用于制造盔甲，强度是凯夫拉防弹衣3倍 蜘蛛丝产生于蜘蛛的旋转腺，是一种无规则 的卷曲蛋白质，在精确的酸性、含水量和化学浓 度下形成，最终通过导管释放出来。这些纤维体 具有防渗水性，部分透明，部分卷曲。此外，蜘 蛛丝还可用作绷带，具有很好的抗菌性。
蜘蛛丝属于蛋白质纤维，是一种天然高分子 纤维和生物材料，其具有很高的强度、弹性、 伸长、韧性及抗断裂性，同时还具有质轻、 抗紫外线、比重小、耐低温的特点，是其它 纤维所不能比拟的，尤其具有初始模量大、 断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织 品的首选原料。蜘蛛丝纤维优良的性能已引 起世界各国人士的关注，其特殊的结构和性 能在纺织行业、医疗卫生和军事等领域产生 了极其重要的影响。
仿蜘蛛丝纤维
蜘蛛丝是由一些被称为原纤的纤维索组成，而原纤又是几个厚度为 120nm的微原纤的集昝体，微原纤则是由蜘蛛丝蛋白构成的高分子 化合物，蠕蛛丝蛋白则是由各种氨基酸组成的多肽链按一定方式组 合而成。分析表明，蜘蛛丝蛋白的氨基酸组成以智氨酸和丙氨酸为 主，二者之和约占70%，还有丝氨酸、谷氨酸、亮氨酸、精氨酸和 络氨酸等。 蜘蛛丝具有很高的强度。有人发现，有的蜘蛛丝其强度 比芳纶和超高分子量聚乙烯纤维的强度还大，是钢的5～10倍。蜘 蛛丝的弹性和柔韧性都很好，耐冲击性强。耐低温性能好，在40℃的条件下仍能保持其弹性，在需要低温使用的场合，其优点特 别显著。蜘蛛丝是由蛋白质组成，因而是生物可降解的，不会对环 境造成污染。
蜘蛛丝纤维是具有优良强度、模 量、伸长度、断裂能以及质量轻盈、 耐紫外线等性能的蛋白质纤维，具 有生物相容性、生物可降解性和可 回收性。 但是，蜘蛛不能像养蚕那样能够 进行商业养殖，其地域性和进攻性 使其不能进行广泛的养殖；并且蜘 蛛吐出的丝并不是象蚕那样形成茧 丝，而是蜘蛛"网"丝，也就是所谓 的"拖丝"或"网络丝"。

第一种途径
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加拿大Nexia生物技术公司宣布已经获得成功， 办法是将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植到山 羊，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白 的蛋白质，据报导这种羊奶中含有经基因重组的 蛋白质2-15g/1，用这种蛋白质生产的纤维取名 生物钢(Biosteel)，其强度比芳纶大3.5倍。该公司 正研究如何将羊奶中的蛋白质进行纺丝的问题。 报导说他们已和加拿大国防部(Canadian Department of National Defence)草签了用这种纤 维生产防弹材料的协议，还和美国军队及美国航 天局(NASA)讨论了有关合作的问题。

蜘蛛丝随处可见，但要由它采取式样进行性能测试则是很难的事情，而且 蜘蛛的品种很多，不同品种不同类型的蜘蛛，其性能也有差异，一般说蜘 蛛丝的直径约为几个微米(人发约为100微米)，但强度特别大，据德国一 个研究所对一种名叫Nephila cIavipes热带蜘蛛的研究，其蜘蛛丝的直径为 0.74-1.16dtex，强度为6.4一8.2cN/dtex，在湿态下伸长有所增加，而强度 基本保持不变。有的报导说蜘蛛丝的强度比钢丝大5倍，而美国南部有一 种被称为"黑寡妇"的蜘蛛，其强度比钢丝大10倍，另有报导则说蜘蛛丝的 强度可以比杜邦的对位芳纶和联信的超高分子量聚乙烯纤维还要大。据美 国拉提克士兵中心(Natick Soldier Center)的研究，蜘蛛丝的抗紫外线辐射 的能力极好，抗张模量可达400-45OGpa。在现有的有机纤维中，其耐火 和耐热的性能是最好的，比间位芳纶高20倍。科学家们还对Nephila clavipes蜘蛛网圆周丝的初始模量、应力应变进行了测试，见表1。 表1 不同聚酚胺纤维的初始模量 (相对湿度65%，温度20℃) 初始模量 蜘蛛网圆周丝 锦纶6 对位芳纶 cN/tex 526 102 1754 N/mm2 6789 1163 25433
展望

目前这种纤维的呼声很高，特别是如果能用转 基因的方法从羊奶、牛奶中大量获得蜘蛛丝蛋 白，则这种转基因仿蜘蛛丝在价格上完全可以 和对位芳纶竞争，据说生产这种仿蜘蛛丝的费 用可降低到每公斤50美元以下，而目前蚕丝 的平均生产费用也要每公斤26-33美元。

由表可见，蜘蛛网圆周丝的初始模量明显高于锦纶6，。比对位芳纶低，但圆周丝 在蜘蛛丝中不是强度最好的。值得一提的是对位芳纶的断裂伸长只有2-5%，而蜘 蛛丝是36-50%。因而具有吸收巨大能量的性能。也曾试图研究蜘蛛丝的粘弹性能， 但很困难，后来采用应力与松弛相结合的方法，解决了这个问题，结果见表2。 从表2数据可以看出，蚕丝的粘弹性最大，其次是蜘蛛丝，而锦纶6的粘弹性 最小，这些不同的特性来源于材料本身的组成和结构的差异。蜘蛛丝的另一个重 要特性是它的耐低温性能。据报导，蜘蛛丝在零下40℃时仍有弹性，只有在更低 的温度下才变硬，在需要低温使用的场合，这种丝的优点特别显著。 由于蜘蛛丝是由蛋白质组成，因而是生物可降解的，不会对环境造成污染， 符合可持续发展的要求。 表2 应力与松弛的联合试验结果 蜘蛛丝 锦纶6 对位芳纶 蚕丝 杨氏模量N/mm2 5700 1519 12293 10825 粘性模量SKN/mm2 3451 363 5660 7200 松弛时间S 597 239 460 665
第二种途径
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利用卫生微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋 白的基因移植给微生物，使该种微生物在繁殖过程中大量生产类似 于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。例如美国杜邦公司已经发现一种名叫 Escherichia coli的细菌和一种名叫Pichia pastoris的酵母菌通过基因 移植技术能合成出高分子量的类似于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白质。并 发现用E.coli细菌可有效地生产出高分子量的蜘蛛丝蛋白，其分子 长度可达1000个氨基酸，但高分子量蜘蛛丝蛋白的产量和均匀性 则受到限制，可能由于在末端合成中某些端基出现了错误。而用 P.pastoris酵母菌生产的高分子量蜘蛛丝蛋白则没有不均匀的问题， 这种酵母菌可分泌出与蜘蛛拉索丝相似的蜘蛛丝蛋白。俄罗斯科学 家则将蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给一种学名叫 Saccharomyces.cerevisiae的酵母菌，繁殖后酵母菌体蛋白质的不溶 组份中80%以上为与蜘蛛丝蛋白相似的蛋白质，且产量可观，还进 行了蛋白质的分离和纯化等，以便以后进行纺丝。下一步工作就是 研究如何利用工业发酵的方法大量生产这种细菌或酵母菌，然后把 这种类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质分离出来做为纺丝的原料。

①基因合成发酵法; ②转基因法 1将这种蛋白的产丝基因转移到细菌中，用细菌大 量繁殖生产这种蜘蛛丝蛋白。 2将蜘蛛基因植入哺乳动物乳腺细胞内，使蜘蛛丝 蛋白再进行重组

用蜘蛛丝制作的防弹背心比用对位芳纶制作的性能还好。也 可用于制造坦克和飞机的装甲以及军事建筑物的防弹衣等。
制法
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采用基因工程方法生产人造蜘蛛丝，但尚不成熟， 目前正在探索之中。此方法的要点是先用生物化学方 法对性能优良的蜘蛛丝蛋白和腺体分泌物进行分析研 究，搞清其蜘蛛丝蛋白基因编码的核苷酸序列，同时 进行基因序列的分离、纯化、结构特征的表达和克隆 等工作，在此基础上建立不同蜘蛛丝蛋白片段的基因 序列模型，用这种模型可生产出称为蜘蛛丝蛋白的合 成基因，然后将这种合成基因移植给动物、植物或微 生物，被移植了合成基因的动物、植物或微生物就能 大量复制这种蜘蛛丝蛋白，将这种蜘蛛丝蛋白分离出 来，经过提纯、溶解和纺丝，便可生产出性能优良的 人造蜘蛛丝。目前尚未实现工业生产。
医疗保健

有非常广泛的用途，由于蜘蛛丝是天然产 品，且由蛋白质组成，与人体具有相容性，因 而可用作高性能的生物材料，如人工筋腱、人 工韧带、人工器官，用于人体组织修复、伤口 处理和手术缝合线等。
航空航天

可用于制作结构材料、复合材料和宇航服 等。
建筑 可做结构材料和复合材料，用于桥梁、高 层建筑和民用建筑等。 农业和食品 可做捕捞网具，可用以替代会造成白色污 染的包装材料等。