Nature Commun | 天然蠶絲與蜘蛛絲哪個(gè)好？中科院朱平/李巖團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡揭示天然絲與人造絲的微觀差異

天然蠶絲與蜘蛛絲之所以擁有超越合成纖維的卓越力學(xué)性能，其奧秘深藏于纖維內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)之中。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們?cè)噲D解析絲蛋白從液態(tài)到固態(tài)纖維的轉(zhuǎn)化過程，提出了液晶紡絲、膠束組裝等多種模型。然而，受限于傳統(tǒng)制樣技術(shù)（如化學(xué)固定、染色等）可能帶來的偽影，人們對(duì)絲纖維內(nèi)部真實(shí)、原位的超微結(jié)構(gòu)認(rèn)知仍然模糊不清，尤其是其最基本的結(jié)構(gòu)單元與空間排列方式，一直是領(lǐng)域內(nèi)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

2026年3月7日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所表觀遺傳調(diào)控與干預(yù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室朱平研究員和李巖研究員團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上在線發(fā)表了題為《Cryo-ET comparison of the hierarchical ultrastructure of silkworm, spider, and artificial silk fibers》（冷凍電鏡斷層成像比較蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的分級(jí)超微結(jié)構(gòu)）的研究論文。該研究利用先進(jìn)的冷凍聚焦離子束和冷凍電子斷層掃描技術(shù)，在近天然狀態(tài)下對(duì)絲纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高分辨率解析。

研究團(tuán)隊(duì)首先從蠶絲腺中提取了天然絲素蛋白，冷凍電鏡觀察顯示，這些蛋白并非此前認(rèn)為的球狀膠束，而是呈現(xiàn)為直徑約4納米、長(zhǎng)度不一的柔性串珠狀納米原纖維。通過AlphaFold 3的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)對(duì)比分析，研究者推斷這些納米原纖維上的球狀結(jié)構(gòu)域可能僅代表了絲蛋白分子的一部分區(qū)域，而非完整的單分子。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍聚焦離子束將真實(shí)的蠶絲纖維切割成僅百納米厚的薄片，在冷凍電鏡下首次清晰地觀察到，蠶絲內(nèi)部的絲素蛋白同樣以直徑約3.6納米的納米原纖維形式存在，與腺體中的形態(tài)高度一致。這些納米原纖維沿纖維軸平行排列，但分布并不均勻，存在致密與疏松區(qū)域，原纖維之間由大量“橋連”結(jié)構(gòu)相互連接。

為了探究不同性能絲纖維的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了蜘蛛絲與人造絲。結(jié)果顯示，蜘蛛牽引絲的蛋白同樣組裝成串珠狀納米原纖維，但在纖維內(nèi)部，這些原纖維的排列極為致密且高度定向，幾乎看不到任何間隙。相反，由天然絲素蛋白通過界面牽伸法再造的人造絲，其內(nèi)部納米原纖維的取向雜亂，相分布不均，完全失去了天然絲的有序堆積特征。

利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)冷凍電鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪和信號(hào)恢復(fù)后，蠶絲內(nèi)部更為高級(jí)的“人字形”排列模式得以清晰顯現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，納米原纖維并非簡(jiǎn)單平行堆砌，而是分層排列成與纖維軸垂直的人字形圖案，這種在蠶腺體近吐絲口處形成的規(guī)則排列，在最終固化的纖維中被穩(wěn)定保存下來。有趣的是，在人字形結(jié)構(gòu)的空白區(qū)域，仍能觀察到一條垂直于原纖維的軸線，暗示其形成可能有其他未知蛋白或相互作用參與。在蜘蛛絲腺的相應(yīng)區(qū)域也觀察到了類似結(jié)構(gòu)，表明這種有序排列在演化上可能是保守的。

綜上所述，這項(xiàng)研究通過前沿的冷凍電鏡技術(shù)，首次在近天然狀態(tài)下直觀揭示了蠶絲、蜘蛛絲及人造絲內(nèi)部的真實(shí)超微結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，直徑約3.6納米的納米原纖維是絲纖維的普適性基本結(jié)構(gòu)單元，而蜘蛛絲中這些原纖維的超高密度排列，是其在力學(xué)性能上超越蠶絲的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征。相比之下，人造絲內(nèi)部有序結(jié)構(gòu)的缺失，則解釋了其性能為何難以匹敵天然絲。該工作不僅為理解動(dòng)物絲紡絲機(jī)制提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)證據(jù)，也為未來設(shè)計(jì)、仿生合成高性能人工絲纖維提供了重要的分子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)建藍(lán)圖。

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