黑寡妇蜘蛛可以教纳米材料专家一两招

看来蜘蛛比我们早了大约 3 亿年就进入了纳米材料时代，它们能将纳米颗粒纺成坚固而有弹性的丝线，远远超出了我们现代的制造能力。但现在我们正在努力追赶，利用我们自己的先进技术研究它们的秘密。

蜘蛛丝最初是一种介于液体和凝胶之间的糊状混合物，在压力、酸度和其他化学物质的复杂配方下，蜘蛛会将其挤压成超强韧的丝。研究人员知道液体中含有什么以及成品是什么样子，但他们对蜘蛛如何在室温下、在没有任何复杂机械的情况下制造出自然界中最强韧的材料之一仍存在理解上的空白。

一支由生物化学家和材料科学家组成的杂牌小组利用超冷电子显微镜，比以往更加深入地研究了黑寡妇的丝腺。他们的研究成果于周一发表在《美国国家科学院院刊》上，证实了蜘蛛的蛋白质会聚集成纳米级球体，并首次揭示了这些球体内部的薄片状结构。研究人员希望，他们的贡献能帮助那些试图像我们目前大规模生产尼龙那样大量生产蜘蛛丝的人。“这种材料的实际应用基本上是无限的，”西北大学纳米材料化学家、该团队的负责人之一 Nathan Gianneschi 在一份新闻稿中表示。

对于未来的丝绸编织者来说，一个问题是，没有人确切知道“蜘蛛丝”蛋白在从分子变成丝线的过程中在蜘蛛丝腺中起什么作用。十多年来，研究人员一直假设这些丝线会自行卷成被称为“胶束”的球体，因为它们有部分被水吸引，其他部分则排斥水。但这一理论的直接证据很少，而且没有人知道胶束的具体形状。

第一个确凿的证据是蛛丝蛋白确实相互连接，这来自圣地亚哥州立大学的生物化学家格雷戈里·霍兰德。根据蛛丝蛋白在不同情况下在液体中的移动情况，他得出结论，这些粒子的直径为几千亿分之一米——太大了，不可能是单独的蛋白质。霍兰德觉得这些结果很有希望，但直到他在一次会议上遇到吉安内斯基，他才意识到他们可以走得更远。“内森开始说话，我说，‘天哪，如果我们能拍下它们的样子就好了，’”霍兰德回忆道。

Gianneschi 专门研究低温透射电子显微镜，这种设备通过在极低温度下发射电子穿过薄薄的样本，生成光学显微镜无法观察到的微小物体的图像。他们了解到，其他人之前也曾尝试用这种方法处理蜘蛛液，但没有人找到一种不破坏脆弱蛋白质结构的方式来准备样本。“如果你对着它吹气，它就会开始变化，”Holland 说。“把针插进去，你就能拔出一根纤维。”

常规移液技术的力量会将蜘蛛丝分解成丝状纤维，因此该团队煞费苦心地解剖了黑寡妇蜘蛛，并使用各种定制工具缓慢而轻柔地准备了几滴丝液。最终，他们设法获得了据他们所知保留了分子自然结构的样本。

随后，研究小组逐层重建了样本图像，首次一窥蛛丝蛋白束的真实样貌。他们发现，这些胶束远非简单的球体，而是挤满了数百个较小的束，Gianneschi 将其描述为“薄片”或“圆盘”，每个束都是一团蛛丝纤维。研究人员怀疑，在适当加压的情况下，这些薄片会伸展成纤维，然后变成丝线。他们希望这种新模型最终能让那些试图制作合成蜘蛛丝的人解决他们的配方问题，检查他们的蛛丝是否以所需的方式缠结在一起。

瑞典乌普萨拉农业科学大学的 Anna Rising 和 Jan Johansson 就是其中的两位研究人员，他们领导的国际团队在去年年初描述了迄今为止最强的合成丝。他们称赞这项新研究拓展了丝蛋白的基本理论，但指出仍缺少许多细节。他们在一封电子邮件中写道：“理想情况下，人们希望以原子分辨率了解蛛丝蛋白的排列方式。”先前的研究已经研究了这种蛋白质的末端，但中间链仍未解开。

他们还表示，低温电子显微镜将成为填补蛛丝-蛋白质图谱中一些空白的宝贵工具，这一结果也让 Gianneschi 和 Holland 感到兴奋。黑寡妇蜘蛛的蛛丝是蛛形纲动物中最强韧的蛛丝之一，他们计划研究其他物种，看看它们不同类型的蛛丝是否与不同形状的蛋白质束相匹配。

“现在你知道该怎么看了，”吉安内斯基说，“你可以去看看。”