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。     

大腹园蛛管状腺丝重组蛋白的克隆表达及纺丝

TuSp1蛋白(tubuliform spidroin 1)是管状腺丝(tubuliform silkfiber)的主要组成成分。管状腺丝作为蛛丝卵袋的外层包卵丝,其结构具有很好的耐腐蚀性和良好的力学性能。目前国内外对大腹园蛛TuSp1蛋白的研究很少,仅有一条基因序列的报道。本课题首次构建含大腹园蛛N端非重复结构域、重复单元以及C端非重复结构域的重组管状腺丝蛋白TuSp1 NT-Rp-CT,并经湿法纺丝获得重组蛋白丝纤维。重组蛋白液圆二色谱分析结果显示,pH由7. 0降低到5. 5的过程中,始终保持稳定的α-螺旋构象;重组蛋白丝纤维的傅里叶变换红外光谱结果显示,丝纤维中主要二级结构为β-折叠及β-转角;经扫描电镜观察发现,冻干的絮状重组蛋白能自组装成丝纤维,且表面光滑纤细;湿纺后的重组蛋白丝纤维直径较粗,但表面较平整均匀,具有类似天然管状腺丝的形态特征,这些为TuSp1蛋白的成丝机理及仿生纺丝研究提供了理论依据。     

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…     

大腹圆蛛主壶腹腺cDNA文库构建和丝蛋白基因筛选

首次通过反转录-置换法和使用pUC18质粒成功构建大腹圆蛛（Araneus ventricosus)主壶腹腺（major ampullate gland)cDNA基因文库,并以鸟枪法从中筛选出具有典型重复结构的大腹圆蛛主壶腹丝蛋白cDNA基因AvF1,大小为1744bp,编码区为1572bp,编码氨基酸524个,分子量为42489.55Da,典型的重复结构为（GGP）nGGX。与现有已知的蛛丝蛋白基因中三带金蛛（Argiope trifas-ciata)鞭毛样丝基因（AtfF)有最高的同源性69.3%。大腹圆蛛主壶腹腺cDNA文库的构建和蛛丝蛋白新基因的克隆,为提供大腹圆蛛蛛丝蛋白基因背景和进一步研究蛛丝蛋白奠定了基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

3种中型蜘蛛卵袋形态特征与纤维组成结构

采用扫描电镜和氨基酸自动分析仪对球蛛科(Theridiidae)温室拟肥腹蛛(Parasteatodatepidariorum)、肖蛸蛛科(Tetragnathidae)肩斑银鳞蛛(Leucauge blanda)及狼蛛科(Lycosidae)猴马蛛(Hippasa holmerae)3种中型蜘蛛卵袋的超微结构和氨基酸组成进行了观察。形态观察表明,这3种蜘蛛的卵袋形态各异,温室拟肥腹蛛卵袋一头尖,呈梨状;肩斑银鳞蛛卵袋呈扁平状;猴马蛛卵袋呈椭球形。扫描电镜观察表明,温室拟肥腹蛛卵袋外覆盖层仅仅由一种均一直径的柱状腺丝组成,而另外2种蜘蛛卵袋外覆盖层主要由柱状腺丝与少量其他丝腺纺出的丝纤维组成。氨基酸组成分析表明,温室拟肥腹蛛卵袋外覆盖层的丝纤维的氨基酸组成与具有保守性的其他种类蜘蛛柱状腺丝心蛋白的氨基酸组成差异较大,这表明其可能含有新的丝心蛋白家族成员。本文根据氨基酸组成与扫描电镜的结果分析探讨了不同直径丝纤维的丝腺来源。     

大腹园蛛鞭毛样丝蛋白cDNA克隆

应用RT-PCR技术,从大腹圆蛛（Araneus ventricosus)壶腹腺中扩增出鞭毛样丝蛋白基因（flagelldid-form silk protein gene),经1.5%琼脂糖凝胶电泳分离,WizardPCR Preps DNA Purification System回收后,将其克隆在pGEM-T载体中,经限制性核酸内切酶鉴定和核苷酸序列分析证实,构建的重组擀粒pSF1中含有蜂蛛鞭毛样丝蛋白基因,且含有3个重复序列。     

家蚕前部丝腺特异表皮蛋白Bm11721的鉴定及表达

家蚕的丝腺是其丝蛋白合成和分泌的器官,根据其形态和功能的不同分为前部、中部和后部丝腺,前部丝腺不具有合成丝蛋白的能力,是丝蛋白构象发生转变的场所。剪切力在丝蛋白构象转变中起到重要的作用,其在家蚕前部丝腺主要由前部丝腺逐渐变细的管腔结构和富含几丁质及表皮蛋白的坚硬的内壁提供。鉴定家蚕前部丝腺新的几丁质结合蛋白,并调查其在家蚕幼虫不同组织的表达特征。通过几丁质亲和层析的方法在前部丝腺筛选并鉴定到一个新的具有几丁质结合功能的表皮蛋白Bm11721,其编码基因编号为BGIBMGA011721(Gen Bank Accession No.NM-001173285.1)。利用原核表达系统成功表达了该蛋白,通过Ni-NTA亲和层析的方法获得了Bm11721的重组蛋白并制备了多克隆抗体。组织表达分析发现无论是转录水平还是蛋白水平Bm11721均只在前部丝腺特异表达,且Bm11721蛋白在5龄期的前部丝腺中恒定表达。免疫荧光定位结果显示Bm11721蛋白定位在前部丝腺的内膜中,推测其可能与前部丝腺的机械硬度有关,为丝蛋白的构象转变提供剪切力。     

大腹园蛛大壶状腺丝蛋白-1基因部分cDNA的克隆和序列分析

大腹园蛛大壶状腺表达拖丝蛋白新基因的克隆, 为进一步研究蛛丝蛋白基因以及人工表达蛛丝蛋白提供参考依据。文章利用“通用方法”即反转录—置换法构建大腹园蛛(Araneus ventricosus)大壶状腺(Major ampullate gland) cDNA文库, 并筛选出具有典型重复结构的大腹园蛛大壶状腺丝蛋白-1部分cDNA序列AvMaSp1 (GenBank登录号: AY177203)。该部分序列大小为1 408 bp, 编码区为1 288 bp, 编码氨基酸429个, 预测分子量为34.07 kDa, 典型的重复结构为 (GA)nAm(GA)N, 与十字园蛛(Araneus diadematus)丝蛋白基因ADF-1 (GenBank登录号: ADU47853)同源关系最近, 一致性为75.0%。     

转植酸酶基因家蚕的制作及表达检测

家蚕Bombyx mori丝腺具有高效合成蛋白质的特性,开发在丝腺特异表达外源蛋白质的生物反应器具有重要的意义。本研究利用piggyBac来源的两种载体pPIGA3GFP和pBac{3×P3-EGFPaf},建立了稳定的家蚕转基因技术体系; 然后,利用一株黑曲霉来源的植酸酶基因,构建了在家蚕后部丝腺特异表达的融合表达载体pBac [3×P3-EGFP+ FibLphyADsRed],注射蚕卵后,在53个G1蛾区中检测到3个有荧光蚕的蛾区。经Southern blot和反向PCR验证,转基因表达盒整合到家蚕染色体上。RT-PCR结果显示,植酸酶基因特异性地在后部丝腺表达,其表达模式与家蚕轻链丝素基因一致。结果表明我们成功获得了在后部丝腺特异表达植酸酶融合蛋白的转基因蚕,这为进一步开发家蚕生物反应器,利用转基因蚕生产各种重组蛋白具有积极的促进作用。     

天然丝的形成及人工纺丝的研究进展

蜘蛛丝和蚕丝是性能优异的天然丝类材料,具有极高的力学性能、良好的生物相容性和生物可降解性,可广泛应用于纺织、光学、电子、生物医学和环境工程等领域。迄今为止,已经有湿法纺丝、干法纺丝和静电纺丝等多种在实验室规模下进行人工纺丝的方法。然而,现阶段大部分的人工丝纤维性能仍比不上天然丝纤维。处理好人工丝纤维层级结构和力学性能之间的关系,是人工纺丝领域亟待解决的问题。文中围绕天然丝纤维的形成、丝纤维力学性能与层级结构的关系、人工纺丝领域的研究进展和丝纤维的应用等方面进行了介绍。