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。     

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。     

兔抗仿蜘蛛牵丝蛋白抗体的制备及应用

将仿蜘蛛牵丝基因s6 0 0克隆到GST融合蛋白表达质粒pGEX KG中 ,利用大肠杆菌表达系统表达并纯化了仿蜘蛛牵丝蛋白S6 0 0 ,以之作为抗原制备了兔抗血清。S6 0 0的氨基酸组分分析与理论值相吻合。蛋白质免疫印迹发现该抗血清能与天然蜘蛛丝反应 ,表明设计的仿蜘蛛丝与天然蜘蛛丝有相似的免疫原性。为了定量检测仿蜘蛛牵丝蛋白在转基因家蚕丝腺中 (或茧壳中 )的表达 ,建立了用ELISA方法定量检测茧壳中仿蜘蛛牵丝蛋白量的工作系统     

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。     

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。     

《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。     

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。     

主要壶腹腺丝蛋白分子结构与机械性能之间的关系

蜘蛛丝是性能优异的天然丝类材料,其中主要壶腹腺丝蛋白产生的牵引丝具有极高的力学性能、良好的生物相容性和生物可降解性,广泛应用于纺织、生物医学和环境工程等领域。深入研究蜘蛛丝蛋白分子结构与机械性能,有助于理解蜘蛛丝蛋白的成丝机制,为制备具有良好机械性能的人造蜘蛛丝纤维提供理论依据。该文围绕不同物种主要壶腹腺丝蛋白的分子组成、成丝机理和分子结构与机械性能之间的关系进行了阐述。     

蜘蛛丝的组成结构与生物学功能

蜘蛛是纺丝种类最多的一种节肢动物,目前共发现有8种丝腺,各纺出具有不同生物学功能的丝纤维,可分别用于织网、捕食、逃避、扩散、织制卵袋等行为活动。蜘蛛丝是一种天然的动物蛋白纤维,是随蜘蛛4亿年进化的结果,也是为蜘蛛的生存与繁殖所设计的,蜘蛛丝的适应与进化使蜘蛛丝具有多样化的生物学功能。但蜘蛛不是唯一能纺丝的节肢动物,除蛛形纲以外,还有其它很多节肢动物,如昆虫纲和多足纲的动物都有具有丝腺,能纺出一种或多种丝蛋白纤维。本文将以昆虫作为比较来概述蜘蛛丝腺的起源与种类,蜘蛛丝的化学组成、结构、种类与其生物学功能。     

科学家破解蛛丝的秘密

长久以来，科学家们一直惊讶于蜘蛛丝为何如此坚韧，并寻思自己是否也能够合成出类似的材料。     

蛛丝能像肌肉一样收缩并承受重物

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。     

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。     

蜘蛛丝的好记性

每个人都知道，蜘蛛丝非常结实，但是谁又能想到，这些细丝还有着非凡的“记性”。     

棒络新妇和悦目金蛛丝腺形态初步观察

研究比较了结网型蜘蛛棒络新妇Nephila clavata和悦目金蛛Argiope amoena的丝腺形态特征,为国内蜘蛛丝腺蛋白的研究提供原始的丝腺解剖图,同时结合对2种蜘蛛卵袋的解剖、网的特征和室内捕食黄粉虫Tenebrio molitor幼虫行为的观察比较,探讨了2种蜘蛛丝腺的生物学功能与其生存繁殖策略之间的关系。本文分别观察描述了棒络新妇和悦目金蛛的大壶状腺、小壶状腺、鞭状腺、柱状腺、葡萄状腺和梨状腺共6种丝腺。2种蜘蛛丝腺形态特征基本相似;部分丝腺在形态结构和颜色上有些差异;悦目金蛛的葡萄状腺比棒络新妇发达。观察表明2种蜘蛛的网和卵袋特征差异较大,两者捕食策略也不同,棒络新妇采用咬一捆缚（Bit—Wrapping）策略,悦目金蛛则采用捆缚一咬（Wrapping-Bit）策略。棒络新妇和悦目金蛛的网和卵袋特征与丝腺的颜色相一致。同时,其葡萄状腺数量和大小与其各自的捕食策略相关。     

蜘蛛牵引丝蛋白cDNA的扩增、克隆与序列分析

蜘蛛是一种能在同一生物体内产生具有不同功能的多种丝的生物。蜘蛛丝的本质是蛋白质。牵引丝 (Ｄｒａｇｌｉｎｅｓｉｌｋ)是由蜘蛛的主壶腹腺 (Ｍａｊｏｒａｍｐｕｌｌａｔｅ ,ＭＡ)产生的 ,其较高的抗张强度 (4× 10 9Ｎ ｍ2 )与弹性 (35 % ) [1 ,2 ] ,使之成为一种有广阔应用前景的生物材料。目前 ,国外已有实验室通过构建ｃＤＮＡ文库的方法获得Ｎｅｐｈｉｌａｃｌａｖｉｐｅｓ中的两个牵引丝蛋白Ｓｐｉｄｒｏｉｎ1与Ｓｐｉｄｒｏｉｎ2的ｃＤＮＡ片段[3 ,4] ;但国内尚未见有相关报道。本文介绍的工作是利用简单便捷的ＰＣＲ技术对牵引丝…     

悦目金蛛和棒络新妇卵袋丝物理化学结构表征及其力学性能研究

蜘蛛丝是一种具有优良机械性能的天然动物蛋白纤维,它特有的结构和性能与其生物学功能密切相关。作者采用氨基酸自动分析仪、傅立叶转换红外光谱仪、扫描电镜和电子单纤强力仪对悦目金蛛（Argiope amoena）和棒络新妇（Nephila clavata）的卵袋丝进行了物理化学结构表征与力学性能的研究,结果表明两种蜘蛛卵袋均由微米级柱状腺丝、大壶状腺丝、亚微米级或纳米级葡萄状腺丝构成。卵袋丝的表面形貌特征、极性氨基酸含量、大侧链与小侧链氨基酸的比值、无定型区、β-折叠结构与结晶结构的含量等氨基酸组成种类与蛋白质二级结构特征,均满足各自生物学功能对断裂强度、延展性、初始模量等力学性能的要求。     

丝纤维支架材料的制备技术及其应用研究进展

丝纤维特别是丝素蛋白和蜘蛛丝蛋白作为具有良好生物相容性的高分了生物材料在组织工程和生物医学领域里有着广泛的应用。本文阐述了近年来在组织工程研究中所涉及的利用丝纤维进行支架材料制备、细胞培养和体内植入检测手段等方面的研究概况。     

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.     

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。