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变身“蜘蛛侠”的蚕宝宝 精选

已有 5659 次阅读 2017-9-13 10:45 |个人分类:神秘动物园|系统分类:科普集锦

美国《蜘蛛侠》系列电影曾大受欢迎,电影中的主人公高中生彼得·帕克被一只经过基因改造的蜘蛛叮咬后,能像蜘蛛一样,可随意放出强韧蜘蛛丝,支撑自己在空中自由飞行,成长为一个力量超凡、行侠仗义的超级英雄“蜘蛛侠”。最新的《蜘蛛侠:英雄归来》已于9月8日在国内上映,必将掀起新的观影热潮,蜘蛛侠也再次成为人们心中的超级英雄。不过,科学家们还真培育出一些能吐蜘蛛丝的特殊“蜘蛛侠”,希望能发挥其巨大的潜能。

《蜘蛛侠:英雄归来》有望再次掀起观影热潮《蜘蛛侠:英雄归来》有望再次掀起观影热潮


蜘蛛丝有什么特殊用途

在大多数人眼中,蜘蛛似乎是长相有点难看、又有些让人害怕的丑八怪,还时不时传出有毒有害的负面传闻。如果不是《蜘蛛侠》系列漫画和电影,人们对蜘蛛不好的印象可能很难改观。不过,大多数蜘蛛可是一种不折不扣的益虫,不仅能捕猎苍蝇、蚊子等人们深恶痛绝的害虫,而且科学家们发现,它们吐出的蜘蛛丝除了能结网捕食之外,还有很多大用处。

据报道,世界上有大约45,000多种蜘蛛,几乎所有的蜘蛛都能吐丝,不过有的蜘蛛只能吐一种丝,像“蜘蛛侠”那样突然吐出一根安全绳,帮助蜘蛛自如地跳跃或遇到敌人迅速逃跑;也有的蜘蛛能吐出三种丝,可以编制成一个临时住所,用于保护虫卵或幼虫,但通常不会织网;还有约一半种类的蜘蛛能吐出六种丝和一种丝状胶,是动物界的织网专家,能编制精巧的蜘蛛网来捕获猎物,有些猎物正是苍蝇、蚊虫等害虫。

在蜘蛛吐出的丝中最受科学家关注的则是牵引丝。蜘蛛牵引丝实质是由一些特定的氨基酸高度重复排列而成的蛋白质纤维,主要包括两种牵引丝蛋白。不同种类蜘蛛的这两种牵引丝蛋白比例有所区别,而且氨基酸组成也稍有不同。由于其特殊的氨基酸组成及蛋白空间结构,赋予了蜘蛛牵引丝极高的韧性、弹性和抗张力性。据检测,蜘蛛牵引丝的强度是相同直径钢丝的5倍,与目前广泛应用的防弹衣材料“凯夫拉”纤维的强度相当,同时具有较好的组织相容性、生物可降解性和低密度,因此被誉为自然界机械性能最优异的蛋白质丝纤维。

如果能大规模生产,性能优良的蜘蛛牵引丝不仅是制造防弹衣、防弹头盔的绝佳材料,还可以用于制作可降解的手术缝合线、人工关节、人工肌腱、人造韧带等医学材料,甚至可开发成航空材料、运动装备等产品。

不过,天然蜘蛛丝只能依靠蜘蛛腹部的腺体合成和分泌,个体的吐丝量非常少,一只蜘蛛每天所产丝不到1毫克,而且蜘蛛为食肉动物,性情凶猛,有互相残杀习性,难以驯化,因此很难通过人工饲养蜘蛛来获得足够的蜘蛛丝。美国陆军纳蒂克研究中心就曾饲养巴拿马黄金蜘蛛,希望获取蜘蛛丝,但未获成功。

蜘蛛丝是世界上韧性和强度最高的天然纤维蜘蛛丝是世界上韧性和强度最高的天然纤维


蚕宝宝如何吐出蜘蛛丝

随着基因工程技术的发展,科学家们也一直在寻求大规模生产蜘蛛牵引丝蛋白的新技术,已先后在基因工程细菌、酵母、植物、昆虫和哺乳动物等宿主中成功表达牵引丝蛋白。不过,由于牵引丝蛋白分子具有高度重复的氨基酸序列,分子量较大,约为30万道尔顿,相当于单克隆抗体的两倍,因此重组表达有很高的难度,如细菌就很难表达出完整的牵引丝蛋白分子,而且表达量很低,这也是利用大肠杆菌生产重组牵引丝蛋白已有近20年的研究历史,仍未实现大规模产业化的重要原因。

同为吐丝专家的家蚕,人类最早7000多年就开始驯化,非常适合人工养殖,目前已经成为亚洲地区一种重要的农业经济动物,而且家蚕的蛋白质生产能力非常强,一只蚕每天可产0.5克纯蛋白,约占蚕体重的25%,因此被认为是生产重组蜘蛛牵引丝蛋白等外源蛋白的理想工具。

最早让转基因家蚕吐出蜘蛛牵引丝蛋白的研究人员来自中国西南大学和日本信州大学的研究团队。2009年,该研究团队通过一种转座子介导的转基因技术,获得了整合有蜘蛛牵引丝蛋白基因和红色荧光蛋白基因的转基因家蚕。这种转座子来自鳞翅目昆虫粉纹夜蛾,可以在昆虫或其他生物的基因组中跳跃移动,同时也能将外源基因插入到宿主基因组中。这种制备转基因家蚕方法是法国和日本联合科研团队2000年在《自然·生物技术》杂志上首次建立的,之后得到了广泛应用。研究人员检测发现,相对于普通蚕丝,含有重组牵引丝蛋白的蚕丝弹性和抗张强度等机械性能均有所提高,但还远低于天然蜘蛛丝的机械性能,主要原因在于外源基因表达水平偏低。中日研究团队在《分子生物学报告》杂志发表的论文中提出了改进思路,包括利用更高效的丝腺特异表达启动子、在重组基因中加入增强子元件等建议,为后续研究提供参考。

2012年,美国怀俄明州立大学和浙江大学研究人员在《美国国家科学院院报》杂志上报道了其合作开发出一种表达家蚕和蜘蛛嵌合丝蛋白的转基因家蚕,而这种改造的丝纤维具有更优良机械性能。该研究团队采用了与中日研究小组基本相同的转基因技术,但是进行了一系列技术改进,如为提高丝纤维的机械性能,将家蚕和蜘蛛的丝蛋白基因进行重组,合成了一个嵌合基因;针对转基因家蚕重组蛋白表达效率偏低的问题,研究人员发现蚕丝重链蛋白是蚕丝中分子量最大和最丰富的蛋白成分,因此在重组基因结构中采用了蚕丝重链蛋白启动子,并加入蚕丝重链蛋白基因的增强子元件,希望能引导外源蛋白在丝腺高效特异表达。经检测发现,重组丝纤维的韧性与天然蜘蛛牵引丝相当,高出天然蚕丝一倍以上,最大可拉伸率比天然蚕丝和蜘蛛牵引丝均高50%左右,不过重组丝纤维的最大应力和防断裂强度等机械性能虽然比天然蚕丝高出一倍,但是只相当于天然蜘蛛牵引丝的一半,表明出这种重组丝纤维的机械性能仍有较大的提升空间。

转基因家蚕吐出含蜘蛛丝蛋白的蚕丝转基因家蚕吐出含蜘蛛丝蛋白的蚕丝


2014年,日本国家农业生物研究所研究人员结合了中日研究团队和中美研究团队的技术路线,即将蚕丝蛋白重链蛋白启动子和蜘蛛牵引丝蛋白基因进行重组,并对牵引丝蛋白基因序列进行了优化,仍然采用转座子转基因技术,培育出表达牵引丝蛋白的转基因家蚕,而含重组牵引丝蛋白的转基因蚕丝机械性能均有所提高,最突出的是韧性,比普通蚕丝提高了50%以上。引人注目的是,该研究小组还将这种含牵引丝蛋白的转基因蚕丝纺织成丝线,并制作成女士背心和围巾,这也是首次将转基因蜘蛛丝制作成实用产品,标志着转基因蜘蛛丝离实际应用更进一步了。

转基因蜘蛛丝制作的女士围巾和背心转基因蜘蛛丝制作的女士围巾和背心


转基因蜘蛛丝离应用还有多远

尽管转基因家蚕能有效表达重组牵引丝蛋白,但是离规模化生产蜘蛛丝还有一定距离,其中最大的障碍之一是重组牵引丝蛋白表达效率低下,如美国怀俄明州立大学研制的转基因家蚕所表达的重组蜘蛛丝蛋白含量仅占蚕茧的2-5%,这还是几个国际研究团队所获得的最高表达水平,很多研究人员也为如何提高转基因家蚕重组蛋白表达水平而绞尽脑汁。

中国西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室的夏庆友教授团队提出了一个通过基因编辑技术在家蚕蚕丝中高效表达外源蛋白的新思路。据《科学报告》报道,该研究团队利用锌指酶基因编辑技术,对家蚕的蚕丝蛋白重链基因进行了基因修饰,使其不能表达蚕丝重链蛋白。由于蚕丝重链蛋白是蚕丝中分子量最大和数量最丰富的蛋白成分,一旦减少了该蛋白表达,则为其它蛋白的生产腾出了空间。研究人员还将绿色荧光蛋白基因转入这种蚕丝蛋白重链基因敲除家蚕体内,绿色荧光蛋白在转基因家蚕体内的表达水平显著提高,可以占到蚕茧体重的50%,表明这种提高外源基因表达水平的新思路非常有效。该课题组计划下一步将这个体系用于大规模生产胶原蛋白、人血清白蛋白、单克隆抗体和牵引丝蛋白等重组蛋白。

转基因家蚕制备效率偏低也是制约转基因家蚕产业化的重要因素之一。浙江大学钟伯雄教授团队则首次成功建立了借助于TALEN技术的高效家蚕转基因技术,将家蚕转基因效率从10%提高到70%,并成功导入了分子量接近黑寡妇蜘蛛牵引丝的基因,蜘蛛复合丝的性能获得了显著提高。

经过4亿多年的进化,蜘蛛拥有了一套自然界中独一无二、精巧绝伦的分泌蜘蛛丝、织网捕食本领。很显然,人类想用几十年时间,完全模仿出蜘蛛这种独门功夫,并非易事。不过,随着基因工程技术不断发展,人造“蜘蛛侠”的种种难关必将会被聪明的科学家们一一攻破,届时,那些会吐蜘蛛丝的蚕宝宝也将成为耀眼的明星。

——此文原发于《科学画报》




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