Spidroin

本Valsler

从俗气的万圣节装饰到蜘蛛恐惧症患者的噩梦，蜘蛛的名声并不好。但是，正如凯特·阿尼在这里所证明的那样，它们的网络中存在着迷人的化学作用。

Kat Arney

在房子里，它们是一个令人讨厌的东西，堆在角落里，或者粘在灯具上。在室外，它们可能被串在人行道上，以诱捕路过的昆虫或粗心的行人。但是，在你厌恶地拂去蜘蛛网之前，想想蜘蛛丝的神奇属性吧——这种天然物质比钢铁更坚固，比防弹凯夫拉尔更坚固，可以承受200摄氏度到零下40摄氏度的温度，可以伸展到自己长度的5倍而不断裂。然而，蜘蛛丝不是在熔炉里锻造或在工厂里模压成型的，而是用一种不那么吸引人的方式制成的:从蜘蛛背部排出的蛋白质混合而成。

蜘蛛丝中最强的一种，也就是所谓的拖丝，其关键成分是蜘蛛蛋白。或者更准确地说，有几种蜘蛛蛋白由不同的基因编码。第一个蜘蛛蛋白基因spidroin I在1990年被发现，第二个基因在两年后被创造性地命名为spidroin II。它们都来自于一种美国金球织女络新妇clavipes,或者香蕉蜘蛛，从那以后，又发现了另外两个小蜘蛛蛋白基因。

从分子标准来看，蜘蛛蛋白很大——每个分子中约有3500个氨基酸，最大的重量为300千道尔顿——而且每种蜘蛛根据其潜在的基因组成产生略微不同的版本。

虽然所有的蜘蛛都吐丝，但并非所有的蜘蛛都结网。而且大多数蜘蛛能产多种类型的丝，不像蚕和产丝毛虫只产一种丝。蛛形纲动物将它们的蛛丝用于多种用途，包括保护它们的卵、交配或在空中飞行——这种技巧被称为“气球飞行”或“风筝飞行”。他们甚至可以吃它，如果他们需要一个快速的零食。事实上，圆球织蛛能织出至少六种类型的丝，每一种都来自它们体内的一个特定腺体，由蛋白质和其他分子的组合略有不同。但它们是如何将这种被称为“纺丝剂”的水状蛋白质混合物变成蛛丝的呢?

2014年，瑞典蜘蛛学家简·约翰逊和安娜·瑞辛领导的团队揭示了蜘蛛吐丝技能的秘密。在仔细地将微型电极插入金圆织蛛的丝腺中后，他们发现，从含有水状纺丝剂的腺开始，到结实的、有结构的丝出现的出口点，pH值急剧下降。

这种pH值梯度使粘稠物中无序、松软的蜘蛛蛋白变得稳定而坚硬，排列并粘在一起，形成了丝绸中发现的有组织的蛋白质结构。有趣的是，酸度变化对蜘蛛蛋白两端的影响是不同的。一端随着pH值的下降变得更加稳定，使其能够牢牢地抓住其他纤维。另一端变得更加无序，这有助于蜘蛛蛋白纤维在丝链形成时平滑地缠绕在一起。

蜘蛛丝令人印象深刻的结构特性吸引了材料研究人员的眼球，他们热衷于利用蜘蛛素的超能力。人们还对医用绷带等用途感兴趣，因为蚕丝具有天然抗菌和可生物降解性。

但与蚕不同的是，蚕可以很容易地培育并产生长长的、完整的丝丝，而养殖蜘蛛并让它们按订单织网是非常困难的。尽管从蜘蛛身上“挤奶”出蛛丝是可能的，但这当然不是一件容易的事。纺人造蜘蛛丝也是个挑战。科学家们正致力于制造机械纺丝器，但要模仿活蜘蛛的精密纺丝器是极其困难的，这是经过数百万年进化磨练出来的。

为了寻找解决方案，科学家们转向了基因工程技术。近年来，这导致了蜘蛛丝的大规模生产，应用范围从服装、鞋类到防弹背心。

一种方法是调整蚕的基因，使它们产生蜘蛛蛋白，而不是正常的丝蛋白。另一种方法是在体内产生蜘蛛蛋白大肠杆菌细菌，可以很容易地在实验室里大量培养。在很长一段时间里，蜘蛛蛋白的巨大而重复的化学结构使其难以产生，这一事实阻碍了这一研究。

其他研究人员对烟草和马铃薯进行了基因改造，使其产生蜘蛛蛋白。最后是我个人最喜欢的:蜘蛛山羊，这种山羊经过基因改造，可以在奶中产生蜘蛛蛋白。遗憾的是，它们不像蜘蛛侠那样织网或爬楼，尽管我喜欢想象它们在没人注意的时候这样做。

本Valsler

这是Kat Arney解开蜘蛛蛋白科学之谜。下周，布莱恩·克莱格(Brian Clegg)将证明这一点，尽管所有闪光的东西都不是黄金在美国，发光化合物可能仍然非常有价值。

布莱恩·克莱格

它可能是两种直接化学元素的简单化合物，黄铁矿是一种具有欺骗性的假黄金，但它的多种形式显示出多样性和适应性，这使得它的使用者绝不是傻瓜。

本Valsler

布莱恩下周加入我们。在那之前，用常用的方式联系——发邮件chemistryworld@rsc.org或推特@chemistryworld．我是本·瓦尔斯勒，感谢收看。