可持续服装的未来——合成蜘蛛丝制造的新突破

诸平

Researchers have made a breakthrough in synthetic spider silk production, potentially enabling more sustainable clothing manufacturing. By using engineered mussel foot proteins to create bi-terminal Mfp fused silks (btMSilks), they achieved an eightfold increase in yield and improved strength and toughness, paving the way for an eco-friendly alternative to traditional textiles.

据美国华盛顿大学圣路易斯分校（Washington University In St. Louis, One Brookings Drive, Saint Louis, MO, USA）2023年5月3日提供的消息，可持续服装的未来——合成蜘蛛丝制造的新突破（The Future of Sustainable Clothing – New Breakthrough in Synthetic Spider Silk Fabrication）。

该校的研究人员在合成蛛丝（spider silk）生产方面取得了突破，这可能会使服装生产变得更可持续。通过使用基因工程贻贝足蛋白（mussel foot proteins）制造双端Mfp融合丝（bi-terminal Mfp fused silks简称btMSilks），他们实现了产量提高8倍、强度和韧性提高的目标，从而为传统纺织品的环保替代品铺平了道路。

由该校的研究人员组成的一个工程师小组，发现了一种合成蜘蛛丝的技术，该技术利用贻贝足蛋白，在保持其强度和韧性的同时，还能高产量地生产蜘蛛丝。

蜘蛛丝的非凡特性长期以来一直吸引着科学家们的注意，因为它的强度超过了钢铁，同时又保持了轻质和柔韧性。华盛顿大学圣路易斯麦凯尔维工程学院（ Washington University in St. Louis McKelvey School of Engineering）的能源、环境和化学工程教授张福忠（Fuzhong Zhang音译）在合成蜘蛛丝方面取得了重大进展，为可持续服装生产的新时代打开了大门。

自2018年利用细菌改造重组蛛丝以来，张福忠教授一直致力于从微生物中提高丝线的产量，同时保留丝线的理想特性，例如增强强度和耐用性。

如果合成丝被用于日常应用，更高的产量将是至关重要的，特别是在时装行业，可再生材料的需求很大，以遏制每年生产约1000亿件服装和9200万吨废物对环境的影响。

在贻贝足蛋白的帮助下，张福忠博士发明了一种新的蛛丝融合蛋白，称为btMSilks。微生物生产的btMSilks的产量是重组丝蛋白的8倍，并且btMSilks纤维具有显著改善的强度和韧性，同时重量轻。这将为传统纺织品提供一种更环保的替代品，从而彻底改变服装制造业。这一发现于2023年4月14日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Jingyao Li, Bojing Jiang, Xinyuan Chang, Han Yu, Yichao Han, Fuzhong Zhang. Bi-terminal fusion of intrinsically-disordered mussel foot protein fragments boosts mechanical strength for protein fibers. Nature Communications, 2023, 14: 2127. DOI: 10.1038/s41467-023-37563-0. Published: 14 April 2023. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37563-0

张福忠说：“天然蜘蛛丝的优异机械性能来自于它庞大而重复的蛋白质序列。然而，让快速生长的细菌产生大量重复性蛋白质是极具挑战性的。为了解决这个问题我们需要一个不同的策略。我们寻找的是无序蛋白质，它们可以在基因上与丝碎片融合，促进分子间的相互作用，从而无需使用大量重复性蛋白质就能制造出坚固的纤维。事实上，我们在研究贻贝足蛋白的过程中发现了它们。”

贻贝会分泌这种特殊的蛋白质到脚上，以粘住物体。张福忠和他的合作者们已经改造了细菌来生产它们，并将它们设计成生物医学应用的粘合剂。研究表明，贻贝足蛋白也具有粘性，这使得它们能够很好地相互粘着。通过将贻贝足蛋白片段置于合成丝蛋白序列的末端，张福忠博士创造出了一种更少重复、更轻的材料，其强度至少是重组蜘蛛丝的两倍。

与过去的研究相比，张福忠的丝材料产量增加了8倍，从1 L细菌培养物中获得8 g纤维材料。此产出构成了足够的织物来测试在实际产品中的使用。

张福忠说：“合成生物学的美妙之处在于我们有广阔的探索空间。我们可以剪切和粘贴各种天然蛋白质的序列，然后在实验室中测试这些设计的新特性和新功能。这使得合成生物材料比传统的石油基材料更通用。”

在接下来的工作中，张福忠和他的团队将扩展合成蚕丝纤维的可调谐性能，以满足各个专业市场的确切需求。

张福忠教授说：“由于我们的人造丝是用工程细菌制成的廉价原料，因此它是一种可再生、可生物降解的材料，可以替代尼龙和聚酯等石油衍生的纤维材料。”

本研究得到了美国农业部(United States Department of Agriculture grant number 20196702129943)和美国国家科学基金会(National Science Foundation award numbers DMR-2207879 and OIA-2219142)的资助。

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Abstract

Microbially-synthesized protein-based materials are attractive replacements for petroleum-derived synthetic polymers. However, the high molecular weight, high repetitiveness, and highly-biased amino acid composition of high-performance protein-based materials have restricted their production and widespread use. Here we present a general strategy for enhancing both strength and toughness of low-molecular-weight protein-based materials by fusing intrinsically-disordered mussel foot protein fragments to their termini, thereby promoting end-to-end protein-protein interactions. We demonstrate that fibers of a ~60 kDa bi-terminally fused amyloid-silk protein exhibit ultimate tensile strength up to 481 ± 31 MPa and toughness of 179 ± 39 MJ*m⁻³, while achieving a high titer of 8.0 ± 0.70 g/L by bioreactor production. We show that bi-terminal fusion of Mfp5 fragments significantly enhances the alignment of β-nanocrystals, and intermolecular interactions are promoted by cation-π and π-π interactions between terminal fragments. Our approach highlights the advantage of self-interacting intrinsically-disordered proteins in enhancing material mechanical properties and can be applied to a wide range of protein-based materials.