蜘蛛丝是自然界中最坚固最坚韧的材料之一，它和一些钢合金一样坚固，韧性甚至比防弹凯夫拉尔还要大。蜘蛛丝无与伦比的强度和韧性组合使这种基于蛋白质的材料成为许多应用的理想选择，从超薄手术缝合线到防弹服。不幸的是，由于蜘蛛的领土性和食人性，它们的丝无法大规模生产，因此实际应用尚未实现。
科学家们已经能够生产某种形式的合成蜘蛛丝，但他们无法设计出包含大多数(如果不是全部)天然丝特征的材料。
到目前为止。
圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院的研究人员设计出了能够产生生物合成蜘蛛丝的细菌，在所有重要指标上，它们的表现都与天然同类相当。他们发现了一些令人兴奋的未来可能性。
这项发表在8月20日星期一的《生物大分子》杂志上的新研究表明，蜘蛛丝的拉伸强度和韧性与其分子量呈正相关——分子越大，丝越强——即使在合成丝中也是如此，几乎是之前记录保持者的两倍。
“人们已经知道这种相关性，但只知道较小的蛋白质。我们发现，即使有这么大的尺寸，仍然有很好的相关性，”工程和应用科学学院的副教授张付中说。
创造生物合成蜘蛛丝最大的历史挑战之一是创造足够大的蛋白质。挑战如此之大，事实上，它需要一种全新的方法。
“我们从别人做过的事情开始，做一个重复基因的序列，”张实验的博士生克里斯托弗鲍文说。模拟蜘蛛序列中负责产生丝蛋白的DNA序列。理论上，序列重复的次数越多，蛋白质就越大。
然而，在DNA序列达到一定大小后，“细菌无法处理它，它们会把序列切成小块，”Bowen说。这个问题在之前的努力中遇到过很多次。为了解决这个由来已久的障碍，Bowen和他的合作者在蚕丝DNA中加入了一个短基因序列，促进了获得的蛋白质之间的化学反应，并将它们融合在一起形成了一个更大的蛋白质，这个蛋白质比以前更大了，也比以前纯化了。
“我们制造的蛋白质基本上是以前任何人能做的两倍，”鲍恩说。它们的丝蛋白链为556 kDa。此前，最大的生物合成蜘蛛丝蛋白为285 kDa。即使是天然拉丝蛋白也往往在370 kDa左右，虽然也有一些较大的异常值。
鲍恩和他的合作者随后将他们的超大生物合成丝蛋白纺成了一种纤维，直径约为人类头发的十分之一，并测试了它的机械性能。这种合成丝是第一种复制天然蜘蛛丝的方法：拉伸强度(断裂纤维所需的最大应力)、韧性(断裂前纤维吸收的总能量)和其他机械参数，如弹性模量和延展性。
展望未来，张实验室正致力于定位生物合成蚕丝纤维，以替代工业上使用的无数石油基合成纤维。
“我们将继续通过简化操作、减少所需化学品数量、提高稳定性和效率，使该过程更具可扩展性和经济性，”张说。
张集团还计划进一步探索新方法的局限性。除了生产出第一种完全复制天然蜘蛛丝特性的合成丝纤维之外，他们的工作有力地表明，如果能够生产出更大的蛋白质，这些纤维的强度和韧性将继续增加。
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