最新Natue子刊：首次揭示蠶絲與蜘蛛絲的超微結(jié)構(gòu)差異，為設(shè)計高性能人造絲提供新思路

絲綢作為一種擁有數(shù)千年歷史的天然材料，因其出色的力學(xué)性能和生物相容性，在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)、柔性電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，盡管蠶絲和蜘蛛絲以其媲美高性能鋼纜的強度和韌性而聞名，其內(nèi)部的蛋白質(zhì)是如何組裝成如此卓越的宏觀材料的，這一直是科學(xué)界懸而未決的難題。傳統(tǒng)的電子顯微鏡研究方法往往需要對樣品進行化學(xué)固定和染色，這會破壞蛋白質(zhì)的原始結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致對絲纖維基本構(gòu)成單元的認知長期存在爭議。面對這一挑戰(zhàn)，來自中國科學(xué)院生物物理研究所的科研團隊，利用先進的冷凍電子斷層掃描技術(shù)，首次在近天然狀態(tài)下，以前所未有的分辨率揭示了蠶絲、蜘蛛絲以及人造絲內(nèi)部的三維超微結(jié)構(gòu)。

中國科學(xué)院生物物理研究所朱平研究員、李巖教授合作，通過對蠶絲、蜘蛛絲及人造絲的深入比較，揭示了它們之間決定性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異。研究發(fā)現(xiàn)，無論是蠶絲還是蜘蛛絲，其最基礎(chǔ)的構(gòu)成單元都是直徑約為3.6納米的“珠串狀”納米纖維，這一尺寸是迄今為止在絲纖維中觀察到的最小結(jié)構(gòu)單元。在蠶絲中，這些納米纖維并非簡單平行排列，而是形成了獨特的“人字形”層狀堆疊結(jié)構(gòu)，且纖維之間存在大小不一的間隙。相比之下，蜘蛛絲中的納米纖維排列得更為緊密，幾乎完美地沿纖維軸平行排列，幾乎看不到任何空隙。而用人造絲素蛋白溶液紡出的人造絲，其內(nèi)部納米纖維則缺乏這種高度有序的排列，結(jié)構(gòu)松散，這直接解釋了為何天然絲的性能遠超人造絲的現(xiàn)狀。相關(guān)論文以“Cryo-ET comparison of the hierarchical ultrastructure of silkworm, spider, and artificial silk fibers”為題，發(fā)表在

Nature Communications

通過對蠶絲腺體中提取的天然絲素蛋白進行觀察，研究團隊首次在體外證實了絲素蛋白本身呈現(xiàn)為一種高度柔性的納米纖維結(jié)構(gòu)，直徑約為4.0±0.6納米，長度為32.7±16.4納米（圖1a-c）。進一步的亞斷層圖平均結(jié)果顯示，這些納米纖維呈現(xiàn)出獨特的“珠串”形態(tài)（圖1d）。結(jié)合AlphaFold 3的結(jié)構(gòu)預(yù)測分析（圖1e），研究人員推測，這些“珠子”并非單個絲素蛋白分子，而是由絲素蛋白分子內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)域折疊而成，顛覆了以往認為絲蛋白是球形膠束或棒狀聚集體的傳統(tǒng)觀點。

圖1 | 天然絲素蛋白是直徑約4納米的“珠串狀”納米纖維。 a. 從中部絲腺后部提取的天然絲素蛋白的斷層圖切片。黃色箭頭指示一根典型的納米纖維（上），下方展示不同彎曲度的納米纖維（黃線勾勒出彎曲軌跡）。 b. 與(a)同一區(qū)域的斷層圖分割圖。 c. 納米纖維直徑和長度的測量數(shù)據(jù)。 d. 平均后的天然絲素蛋白納米纖維的縱向三維結(jié)構(gòu)。 e. 利用AlphaFold 3預(yù)測的絲素蛋白重鏈（Δ2303-2621）的三維結(jié)構(gòu)。

為了探究在纖維形成過程中絲素蛋白的結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，研究人員利用冷凍聚焦離子束技術(shù)將蠶絲切制成僅百納米厚的薄片，并在冷凍電鏡下進行了三維重構(gòu)。結(jié)果顯示，在絲纖維內(nèi)部，絲素蛋白依然保持著直徑約3.6±0.8納米的納米纖維形態(tài)（圖2g-h），這與在腺體中觀察到的結(jié)構(gòu)基本一致。這些納米纖維總體上平行于纖維軸排列，但分布并不均勻，存在緊密堆積和松散區(qū)域（圖2a-b）。有趣的是，在緊密排列的區(qū)域，相鄰的納米纖維之間通過大量的“橋接”結(jié)構(gòu)相互連接（圖2c-f），這些橋梁可能是纖維受力時傳遞載荷、增強韌性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

圖2 | 蠶絲中絲素蛋白的總體結(jié)構(gòu)保持不變。 a. 蠶絲中絲素蛋白和絲膠蛋白在XY和YZ視圖下的形態(tài)與排列的斷層切片。紫色框：平行排列的絲素納米纖維；紅色框：非平行排列的絲素納米纖維；藍色框：松散排列的絲素納米纖維；綠色框：緊密堆積的絲素納米纖維。 b. 與(a)同一區(qū)域的絲素納米纖維三維模型。紫色：絲素納米纖維；黃色：未知生物大分子。 c-d. 展示絲素納米纖維間典型交叉橋接結(jié)構(gòu)的斷層切片。 e-f. 與(c-d)同一區(qū)域的三維分割圖，展示了絲素納米纖維（綠色、黃色、紫色）之間的橋接結(jié)構(gòu)（藍色、銀灰色）。 g. 作為絲纖維基本構(gòu)建模塊的平均絲素納米纖維的三維結(jié)構(gòu)。 h. 納米纖維直徑和長度的測量數(shù)據(jù)。

為了探究蜘蛛絲擁有更強力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究人員對野生大腹園蛛的蛛絲進行了同樣的分析。實驗結(jié)果表明，從蜘蛛大壺狀腺中提取的蛛絲蛋白同樣呈現(xiàn)為“珠串狀”的納米纖維（圖3a-c），但其分子量低于蠶絲絲素蛋白（圖3d）。更關(guān)鍵的區(qū)別在于，在形成的蜘蛛絲纖維內(nèi)部，這些納米纖維排列得極為緊密，高度平行，幾乎不存在任何可見的間隙（圖3e-f），這種致密的結(jié)構(gòu)是其強度超越蠶絲的直接原因。相比之下，利用界面牽伸法制備的人造蠶絲，盡管原料也是同樣的天然絲素蛋白，但其內(nèi)部納米纖維的取向雜亂無章，相分布極不均勻（圖3g-h），這凸顯了紡絲過程中微環(huán)境對最終結(jié)構(gòu)形成的決定性作用。

圖3 | 蜘蛛絲中緊密堆積的蛛絲蛋白納米纖維。 a. 在中國四川野外捕獲的大腹園蛛。 b. 蜘蛛絲腺；箭頭指示大壺狀腺。 c. 從蜘蛛大壺狀腺中提取的蛛絲蛋白的金屬投影圖像，表明蛛絲蛋白是納米纖維。 d. 蠶絲絲素蛋白與蜘蛛大壺狀腺蛛絲蛋白的4-16%梯度SDS-PAGE分析。所有實驗獨立重復(fù)三次，結(jié)果相似。 e. 蜘蛛絲中緊密堆積的蛛絲蛋白納米纖維的低倍投影圖像。 f. (e)中方框區(qū)域放大后的蛛絲蛋白納米纖維斷層切片。插圖顯示絲蛋白納米纖維的排列方式。 g. 人造絲中松散堆積的絲素納米纖維的低倍投影圖像。 h. (g)中方框區(qū)域放大后的絲素納米纖維斷層切片。插圖顯示可能的絲蛋白納米纖維排列方式。

在成功解析基本結(jié)構(gòu)單元后，研究團隊進一步探究了蠶絲內(nèi)部更高層級的組織方式。通過引入深度學(xué)習(xí)算法REST來提升斷層圖的信噪比和分辨率，研究人員在蠶絲的橫截面（XZ視圖）上清晰地觀察到了大量規(guī)則排列的點狀結(jié)構(gòu)（圖4a-b）。通過三維追蹤證實，每一個點都代表一根垂直于觀察面、沿纖維軸向延伸的納米纖維。這些納米纖維在空間上層層堆疊，最終構(gòu)成了一個貫穿纖維整體的“人字形”三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖4c-d），這與家蠶前部絲腺近吐絲口處觀察到的預(yù)排列模式（圖4e）完全吻合，證明這種高度有序的“人字形”結(jié)構(gòu)在紡絲過程中被穩(wěn)定地保留在了最終的纖維中。

圖4 | 絲素納米纖維在蠶絲中形成各向異性的“人字形”圖案。 a. 蠶絲中絲素蛋白在XY和YZ視圖下的斷層切片。 b. 與(a)同一區(qū)域，使用REST方法處理后的斷層切片，該方法顯著去除了噪聲并提高了絲素納米纖維的信噪比，特別是在XZ視圖中，沿z軸的點狀結(jié)構(gòu)變得清晰可見。 c. 與(b)同一厚片中的絲素納米纖維組織三維模型，顯示出類似人字形的圖案。 d. (c)中三維模型的傾斜視圖。 e. 在前部絲腺靠近吐絲口的末端區(qū)域，天然絲素蛋白自組裝成人字形圖案。 f. 基于冷凍電子斷層掃描的人字形圖案三維模型，顯示納米纖維沿z軸平行排列。

綜上所述，這項研究利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，首次在納米尺度上系統(tǒng)描繪了蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的“全景”三維結(jié)構(gòu)圖。研究表明，絲纖維的基本構(gòu)成單元是直徑約3.6納米的納米纖維，這些纖維通過“人字形”方式堆疊形成宏觀纖維（圖5a）。蜘蛛絲因其納米纖維排列極致緊密而性能卓越，而人造絲則因缺乏這種有序排列而性能不佳（圖5b）。這項研究不僅為理解動物絲的紡絲機制提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)證據(jù)，也為未來設(shè)計、制造性能可定制的高性能仿生纖維材料提供了全新的分子評價標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計藍圖。未來，結(jié)合AlphaFold等蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測工具和基因編輯技術(shù)，或許能真正實現(xiàn)根據(jù)需求設(shè)計并制造出超越天然性能的“夢幻纖維”。

圖5 | 蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的結(jié)構(gòu)、組成與組織方式對比。 a. 絲的基本結(jié)構(gòu)單元是直徑約3.6納米的納米纖維。絲素蛋白是一種纖維狀蛋白而非球狀蛋白，而絲膠蛋白不呈現(xiàn)纖維特征。絲內(nèi)部的這些納米纖維呈各向異性排列，形成人字形圖案，而不僅僅是簡單地平行堆疊。多層的這種“人字形”排列沿同一方向排列，最終形成微米級的絲纖維。 b. 蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的比較研究。在蜘蛛絲中，可以清晰地觀察到由納米纖維構(gòu)成的致密結(jié)構(gòu)，其長軸緊密地平行于流動方向排列，沒有留下任何可見的間隙。相比之下，蠶絲在納米纖維之間表現(xiàn)出更大的、區(qū)域變化的間隙，而人造絲則缺乏天然絲特有的高度有序排列。比例尺，20納米。