2厘米粗蜘蛛丝可提起2吨重物

据美国《科学》杂志在线新闻报道,这是研究人员将蜘蛛丝交替暴露在干燥和湿润的空气中,从而导致其以循环的方式放松和收缩后得出的结论。为了搞清蜘蛛丝究竟可以举起多大的重量,研究人员用吸管分别在每根蛛丝上加上了2mg到100mg的重量,并测量了它们随着蛛丝收缩而上下运动的总量。     

次壶腹腺丝蛋白功能模块的研究

蜘蛛丝是天然的生物材料,具有潜在的巨大应用价值。研究蜘蛛丝蛋白质的结构与功能,有助于破解蜘蛛丝蛋白质的成丝机理,为制备优良材料学性能的仿生蜘蛛丝纤维提供理论依据。以MiSp蜘蛛丝的重复区和C端非重复区蛋白多肽为研究对象,在不同pH值和离子条件下,在体外研究其二级结构与成丝的关系。CD图谱显示:表达纯化的重组蜘蛛丝蛋白R1R2在pH 7.5、6.5和5.5时二级结构相似,均为无规则卷曲,而R1R2CT则主要呈现为α螺旋构象;扫描电镜结果表明:在以上3种pH条件下,只有pH 5.5时R1R2和R1R2CT才形成重组丝纤维,R1R2CT纤维形态较平整,类似于天然蛛丝纤维形态,而R1R2丝纤维则呈条带状,表面粗糙。另外,氯化钠不利于形成形态平整的丝纤维。该成果为研究蛛丝蛋白的成丝机理奠定基础,也为制备仿生蛛丝蛋白纤维提供理论依据。     

蜘蛛丝蛋白研究进展

由于蜘蛛丝蛋白分子高度重复的一级结构、特殊的溶解特性和分子折叠行为以及具有形成非凡力学特性丝纤维的能力而引人注目。本文从蛛丝蛋白基因、天然蛛丝形成过程、蛛丝蛋白的基因工程生产及蛛丝蛋白的应用前景等几个方面着重介绍了近20年来对蛛丝蛋白的研究进展。围绕蛛丝蛋白展开的研究将有助于揭示蛋白质一级结构、蛋白质分子折叠与蛋白质大分子特性之间的内在联系。     

三种类型蜘蛛丝的结构及生物学功能

利用付里叶变换红外光谱仪(FFIR)对棒络新妇(Nephila clavata)、悦目金蛛(Argiope amoena)的大壶状腺丝(拖丝)、悦目金蛛的捕丝(粘性螺旋丝)和卵袋丝这3种不同类型蜘蛛丝的二级结构进行了测试研究。结果表明：蜘蛛丝同时包含无规则卷曲、α-螺旋和β-折叠构象;对这3种蛛丝的红外光谱进行比较表明同一蜘蛛的不同类型蛛丝所含的这3种二级结构的比例不同,这种不同组成的二级结构就赋予了蜘蛛丝不同的特性,这种特性又与其不同的功能相适应。此外,还用扫描电镜(SEM)和光学显微镜对悦目金蛛和小悦目金蛛(A．minuta)的拖丝和捕丝做了形态结构观察。蜘蛛丝这种天然动物蛋白纤维所具有的特殊的形态结构、蛋白质二级结构与其特殊的性能和生物学功能是高度一致的。     

不同 pH 值条件下蜘蛛丝收缩与延展性能的变化

研究不同p H值条件下,蜘蛛丝拉伸性能的变化。在酸性条件下,设置p H值梯度,比较经丝、纬丝的拉伸性能;使用同样方法,在碱性条件下,比较经丝、纬丝的拉伸性能。将实验数据应用统计学中的单因素方差分析方法分析。结果表明不同p H值对这两类蛛丝的拉伸性能的变化均有显著影响:在酸性条件下,随着p H值的升高,经丝和纬丝收缩度逐渐升高;在碱性条件下,随着p H值的升高,其收缩度逐渐降低。当p H值为7时,经丝和纬丝的收缩度最高,分别为经丝(27.00±0.60)%,纬丝(28.30±0.31)%。     

大腹园蛛主壶腹腺蛛丝蛋白末端结构域的克隆表达

牵引丝(dragline silk)由主壶腹腺蛛丝蛋白(major ampullate spidroin, MaSp)组成,是蜘蛛丝中强度最好的丝,同时具有极佳的生物相容性和可降解性,因此引起研究者的研究热潮。目前关于大腹园蛛MaSp结构和成丝机理方面的研究甚少,限制了其仿生应用。本文以大腹园蛛牵引丝的组成蛋白质之一MaSp1为研究对象,通过锚定PCR的方法首次获取了大腹园蛛MaSp1 NT的完整编码基因,并对其进行了克隆、表达、纯化,产量可达60 mg/L;同时对该MaSp1的CT进行表达纯化,产量可达80 mg/L。另外,通过CD色谱分析了MaSp1 NT和CT的二级结构,结果表明二者的二级结构均以α-螺旋为主。上述结果为大腹园蛛MaSp1的结构和成丝机理研究奠定了基础。     

悦目金蛛拖牵丝力学性能的变异

蜘蛛丝作为一种具有优良机械性能的天然动物蛋白纤维,其特有的结构和机械性能与其生物学功能密切相关。由大壶状腺纺出的拖牵丝在蜘蛛的行走、建网、捕食、逃生、繁殖等多种生命活动中均发挥了重要的功能,其机械性能会受到多种内外因素相互作用的影响。本文对在不同体重、不同猎物饲养和不同营养状态3种条件下人工抽出的悦目金蛛(Argiope amoena)拖牵丝与其不同单丝间的力学性能进行了比较研究。结果表明,悦目金蛛拖牵丝的力学性能在组间、组内不同个体,以及同一个体不同丝纤维间变异都较大。随着蜘蛛个体的增大,蛛丝横截面直径逐渐增大,这会使得蛛丝的力学性能更好,便于作为救命索的拖牵丝在遇到危险时承受蜘蛛体重;蜘蛛在经过1个月的饥饿后,蛛丝在屈服点附近的力学性能并未发生显著变化,而断裂点应变和断裂能均显著减小,同时也表明无论对于作为救命索还是网丝,拖牵丝的弹性形变性能在与蛛丝相关的微观进化中要优先于塑性形变。这是蜘蛛在能量摄入受到限制时对拖牵丝的投入权衡的结果。     

蜘蛛拖牵丝蛋白基因的克隆与表达

蜘蛛丝具有极高的强度和韧度,工业和医学应用价值很高,但由于蜘蛛的不可驯养性使其应用受到限制.因此,本文尝试利用基因工程的方法获得蛛丝蛋白的表达.我们利用巢式PCR技术从大腹圆蛛Araneus ventricosus基因组中克隆了长度为837 bp的拖牵丝蛋白基因(ASP),并分别将其构建至原核表达载体pGEX-6p-1和真核表达载体pGFP-N2上,分别命名为pASG和pASN.pASG在大肠杆菌中16℃下24 h诱导表达后,经蛋白质印迹证明成功地表达了GST-ASP融合蛋白;pASN转染昆虫sf9细胞48 h后观察到了绿色荧光蛋白GFP的表达,表明ASP基因在大肠杆菌和真核细胞中分别得到了正确表达.本研究为利用基因工程的方法开发蛛丝蛋白的生产途径提供了有益的尝试.     

横纹金蛛捕食经验对其丝纤维力学行为与性能的影响

蛛网是蜘蛛的捕食工具,蛛网网丝的结构与性能不仅影响蜘蛛的捕食效率,也关系着蜘蛛的捕食投入。本文利用单纤维电子强力仪研究横纹金蛛(Argiope bruennichi)室内捕食面包虫(Tenebrio molitor)时上前与返回捕食拖丝的力学性能以及捕食经验对圆网半径丝修补前后的力学性能的影响。结果表明,与上前捕食拖丝相比,返回捕食拖丝减小了弹性区的投入,增加了屈服区和加强区的投入,且返回时捕食拖丝更具柔韧性。整体而言,与初始半径丝相比,在未喂食面包虫的条件下,网的半径修补丝增加了力学性能的投入;而在喂食面包虫的条件下,网的半径修补丝减少了力学性能的投入。所测试丝样中出现了两种类型的蛛丝力学行为:一种为典型的蛛丝力学行为;另外一种为似黏流性材料的力学行为,其反映的是满足蛛丝耗散猎物或自身下降时动能的另外一种力学性能的策略。本研究表明蜘蛛能根据其捕食经验遵循Cost-Benefit原则对蜘蛛丝的力学性能进行调节,从而调整捕食投入。     

重组杂合蛛丝蛋白MiSpNT-PySpRp-MiSpCT的二级结构表征

重组蛛丝纤维作为一种性能优异的生物材料,具有良好的生物相容性,在生物医学工程领域具有极大的潜在应用价值。已有研究表明,重组蛛丝蛋白可用作血管、神经导管及药物载体等,但其生物学功能仍有待研究。本研究以大腹园蛛基因组为模板,设计特异性引物,通过PCR扩增获得大腹园蛛梨状腺丝（piriform spidroin: PySp）一个完整重复区（Rp）编码序列;此Rp模块与MiSpNT/CT模块重组,构建微小型杂合蛛丝蛋白MiSpNT-PySpRp-MiSpCT,成功在大肠杆菌BL21中高效表达,借助8 mol/L尿素裂解缓冲液进行变性纯化,得到纯度较高的杂合蛛丝蛋白MiSpNT-PySpRp-MiSpCT,产量约100 mg/L。CD图谱显示,MiSpNT-PySpRp-MiSpCT蛋白质溶液主要以α-螺旋和无规卷曲形式存在,随着溶液pH值降低,部分α-螺旋向β-折叠转变;红外光谱显示,在自然成丝及冻干过程中,部分α-螺旋转化为β-折叠,符合天然蛛丝蛋白成丝过程的二级结构变化特征。本研究结果为今后获得具有天然蛛丝纤维优异性能的人工重组蛛丝纤维材料提供一种新的可能。     

蛋白质内含子介导蛛丝功能化平台的建立

为建立高效快捷的蛛丝功能化修饰平台,蛋白质内含子的反式剪接技术被首次应用于重组蛛丝的功能化修饰。在体外通过Ssp Dna B的反式剪接作用,在蛋白质水平上将12 k Da泛素相关修饰蛋白(SUMO)与蛛丝蛋白(W2CT)连接形成功能化蛛丝蛋白SUMOW2CT。修饰后SUMOW2CT与W2CT均能形成纳米至微米级的丝纤维,但SUMOW2CT自动成丝速度明显下降且产量约为W2CT的一半。与W2CT丝纤维(W)相似,SUMOW2CT丝纤维(UW)不具有超收缩能力和对2%SDS不耐受,但机械性能低于W2CT丝纤维。功能化蛋白SUMOW2CT形成的丝纤维中SUMO蛋白仍保持着正确三维结构,可被SUMO蛋白酶酶切。外源功能化蛋白质虽在一定程度上降低了丝的形成速度和机械性能,但修饰上的功能化蛋白仍保持着生物活性,表明断裂蛋白质内含子介导的蛛丝修饰平台成功建立,也为蛛丝的功能化修饰和应用奠定了坚实的技术基础。     

大腹园蛛鞭状腺蛛丝蛋白N端结构域的克隆表达及圆二色谱分析

鞭状腺蛛丝是6种蛛丝中延展性最好的丝,由鞭状腺蛛丝蛋白(FlSp)构成,具有极大的潜在应用价值。目前,有关FlSp的末端功能模块(NT和CT)编码基因的报道极少,且其结构和功能均尚未明确,这在一定程度上限制了鞭状腺蛛丝的仿生。现利用5′-RACE的方法,以大腹园蛛总RNA和基因组DNA为模板,首次获取了大腹园蛛FlSp NT模块(FlSp_A.v-NT)的完整编码基因,并对其成功进行了克隆、表达及纯化,产量可达60 mg/L;同时,利用圆二色谱(circular dichroism,CD)对FlSp_A.v-NT的二级结构进行了分析,结果显示其主要以α螺旋构象存在,这是首次对FlSp NT的二级结构进行探索,为后续FlSp NT结构功能的研究提供了材料,奠定了研究基础。     

利用生物工程技术生产蜘蛛丝的研究进展

蜘蛛丝是一种高分子蛋白纤维,具有高强度、高弹性等许多重要的优良特性,在军事、医学、工业、建筑、纺织等领域具有广泛而巨大的应用。然而蜘蛛的产丝量小,且无法高密度养殖以获取大量的蜘蛛丝,难以满足实际应用的需要。于是人们只能着眼于生物工程方法,即将蜘蛛丝蛋白基因转入其它生物体来表达生产蜘蛛丝蛋白,经过多年的研究,已取得很多重要的进展。对蜘蛛丝蛋白在微生物、植物、哺乳动物及家蚕等不同生物载体中表达的研究进展进行重点阐述,并探讨了已有研究的不足和今后研究展望,为进一步探索和研发蜘蛛丝的规模化生产方法提供借鉴与参考。     

蛛丝蛋白的研究进展及应用前景

蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白。由丙氨酸组成的β-折叠和富含脯氨酸的α-螺旋,及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构,决定了蛛丝具有强度高,韧性大等一些重要特点。对其蛋白质序列的组成与结构人们已基本研究清楚;蛛丝蛋白基因部分序列的克隆已取得成功,在基因表达方面也取得了一些进展。虽然由于蛛丝蛋白基因序列的高重复性、不稳定性和较长的基因序列,使得对蛛丝蛋白的全基因克隆变得困难重重,但是蛛丝蛋白独特的结构和性质,使其在医学领域尤其是组织工程方面有着诱人的前景 。     

蛛丝蛋白的研究进展及应用前景

蛛丝蛋白是一种很特殊的纤维蛋白。由丙氨酸组成的β－折叠和富含脯氨酸的α－螺旋,及其紧密堆砌的二级结构使之成为一种半结晶状态的分子弹簧结构,决定了蛛丝具有强度高,韧性大等一些重要特点。对其蛋白质序列的组成与结构人们已基本研究清楚;蛛丝蛋白基因部分序列的克隆已取得成功,在基因表达方面也取得了一些进展。虽然由于蛛丝蛋白基因序列的高重复性、不稳定性和较长的基因序列,使得对蛛丝蛋白的全基因克隆变得困难重重,但是蛛丝蛋白独特的结构和性质,使其在医学领域尤其是组织工程方面有着诱人的前景。     

《自然—材料学》蚕丝的本质

研究人员发现了桑蚕丝和蜘蛛丝在流动行为方面的显相似性，这一最新的研究结果发表在2006年11月号的《自然—材料学》上。新发现令人惊讶，因为这些自然丝质产品历经岁月的演化拥有不同功能，它们的蛋白质组成和机械特性截然相异。     

4种常见蜘蛛蛛丝光学显微镜观察及机械性能的测定

对4种常见蜘蛛大腹园蛛Araneus ventricosus、迷宫漏斗蛛Agelena labyrinthica、草间钻头蛛Hylyphantes graminicola和棒络新妇Nephila clavata蛛丝的物理特性和机械性能进行了初步研究.结果 表明:捕丝是由2根核心丝构成,4种蛛丝呈现不同的颜色;4种蜘蛛蛛丝的密度略有不同,棒络新妇的蛛丝密度最大,草间钻头蛛的蛛丝密度最小;蛛丝中棒络新妇的断裂伸长率和断裂强度都最大,分别为47.3%和852.6 Nmm-2,草间钻头蛛蛛丝的断裂伸长率和断裂强度都最小,分别为32.1%和652.3 Nmm-2.与其它物理化学材料相比,蛛丝具有优异的综合力学性能,生物学特性与生物学功能具有高度一致性.     

高分子量RGD-蛛丝蛋白重组体的构建、高密度发酵及纯化

蜘蛛丝是自然界综合性能优良的天然蛋白质纤维之一,因其具有良好的生物相容性和可降解性在生物医学领域具有潜在的应用前景。在本室已经构建的RGD-蜘蛛拖丝蛋白基因16多聚体基础上,通过首尾相连、倍加等方法进一步多聚化,得到RGD-蜘蛛拖丝蛋白基因32和64多聚体,分别将这两种多聚体与原核高效表达载体pET-30a( )连接,转化大肠杆菌BL21(DE3)pLysS,得到的32多聚体表达重组子命名为pNSR32,64多聚体表达重组子命名为pNSR64。通过酶切、琼脂糖电泳鉴定及对目的片段的测序均与理论值相符。将32和64多聚体基因序列注册GenBank,序列号分别为DQ469929和DQ837297。重组体pNSR32和pNSR64经IPTG诱导表达,SDS-PAGE图谱显示表达产物分子量分别为102kD和196.6kD,与天然蛛丝蛋白分子量接近并与理论值相吻合。高分子量的蛛丝蛋白在原核生物成功实现高效表达,在国内外尚未见报道。在此基础上对pNSR32工程菌进行高密度发酵,建立了简单高效的目的蛋白纯化工艺。     

蜘蛛丝的分子结构与力学性能研究

蜘蛛丝尤其是蜘蛛大囊状腺产生的拖丝,具有独特的机械性能,是自然界颇具应用潜力的生物材料。现代分子生物学技术使蜘蛛丝蛋白基因得以克隆,通过高分子物理化学手段方法的利用,有利于揭示蜘蛛丝蛋白质序列、分子结构、以及分子结构和力学性能之间的关系。对不同种类蜘蛛丝蛋白的深入研究,将为基因工程方法人工合成并改造蜘蛛丝成为可能。     

蜘蛛丝蛋白的模块结构性能和重组表达

蜘蛛丝是一类天然蛋白质纤维,具有独特的机械性能（高强度、高弹性和高断裂功等）和卓著的生物学特性（生物可降解性和与生物组织的相容性等）,在生物医学、材料、纺织和军事等领域都有着很高的潜在应用价值。综述了不同蜘蛛丝蛋白的模块结构特征及与其功能的关系,扼要介绍了目前利用各种基因工程方法表达重组蜘蛛丝蛋白的研究进展。