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据米俊鹏介绍，这一研究成果能有效地将超高强度和超强韧性结合起来，可以作为设计能够建造太空电梯的材料的指导原则。
该论文的标题是《用转基因家蚕纺制的高强度、超韧性全蜘蛛丝纤维》（High-strength and ultra-tough whole spider silk fibers spun from transgenic silkworms）。东华大学生物与医学工程学院孟清教授和西南大学夏庆友教授是该论文的通讯作者。
米俊鹏等人还以前述理论为指导，对强韧轻巧的蜘蛛丝进行研究和改良，让蚕吐出比防弹背心纤维韧性更高的蜘蛛丝。
研究结果显示，这些由家蚕“吐出”的蜘蛛丝蛋白纤维表现出惊人的拉伸强度——达1299兆帕，和惊人的韧性——达319兆焦耳/立方米。其韧性比美国杜邦公司研发、可用于制作防弹衣的凯夫拉纤维的韧性高6倍。
蛛丝纤维重量很轻，又具有极高的机械性能，在军工、医疗等领域都有应用前景。而养蚕、收集蚕茧、缫丝等已是相对成熟的商业体系。让蚕“吐出”蛛丝，有助于实现其大规模商业化。
此前有美国公司称，用蚕合成蛛丝蛋白纤维，并获得其国防部门的支持，但对其技术及细节秘而不宣。
科学家们认为蜘蛛丝是合成纤维的有前景的可持续替代品。合成纤维会向环境中释放有害的微塑料，而且通常是由产生温室气体排放的化石燃料生产的。之前开发的人造蛛丝工艺需要在蛛丝表面涂上一层糖蛋白和脂质，以帮助它抵御潮湿和日照——类似于蜘蛛在其蛛丝上涂的一层抗衰老的“皮肤层”。
为了让蚕“吐出”蛛丝，米俊鹏等研究人员将蛛丝蛋白基因引入蚕的DNA中，利用CRISPR-Cas9基因编辑技术和数十万次微量注射到受精卵中的方法，在蚕的腺体中表达蛛丝蛋白。米俊鹏说，在这项研究中，显微注射是最重大的挑战之一，但当看到蚕的眼睛在荧光显微镜下发出红光时——这是基因编辑成功的标志——他欣喜若狂。
“我手舞足蹈跑到孟清教授的办公室分享这个结果。我还清楚地记得那个晚上，我兴奋地睡不着觉。”米俊鹏说。
要想了解蜘蛛丝为什么如此坚固，我们首先要了解它是如何形成的。在蜘蛛的尾部一般有三对纺丝器，每个纺丝器上又有非常多的纺丝管，每个纺丝管又与纺丝线相连，纺丝线是一种储存液态蜘蛛丝原料的管道。当蜘蛛想要吐丝的时候，就会把液态原料挤出来粘在一个固定物上，然后通过移动拉出丝液。当丝液遇到空气以后就会立即发生反应，固化成丝线。
我们肉眼看到的单根蜘蛛丝其实是由很多更细小的原始纤维交织缠绕而成的。每个原始纤维都是由许多分子链组成的聚合物结构。分子链之间通过氢键、范德华力等相互作用形成了不同程度的结晶区域和非结晶区域。结晶区域是分子链排列有序、结构紧密、稳定性高的区域，它决定了蜘蛛丝的强度；非结晶区域是分子链排列无序、结构松散、可变性大的区域，它决定了蜘蛛丝的韧性。正是这种结构使得蜘蛛丝既有高强度又有高韧性。
不同种类的蜘蛛可以产生不同类型和功能的蜘蛛丝。一般来说，每个蜘蛛至少有七种不同的纺丝腺，它们分别可以产出不同物理性质的蜘蛛丝，这些蜘蛛丝在织网的过程中都有不同的作用。
大壶状线：分泌出叶丝、辐射状丝和骨架丝，这些都是构成网骨架和牵引力量的重要组成部分。小壶状线：分泌出捕食用的粗粗黏黏的黏液。葡萄状线：分泌出用于保护卵囊或者自身保温隔热的毡毯状材料。梨状线：分泌出用于粘合网结构或者固定网的基座的胶水。管状线：分泌出用于包裹猎物或者自身伪装的丝带。集合状线：分泌出用于制作蜘蛛网上的信号线或者警戒线的丝。鞭毛状线：分泌出用于制作蜘蛛网上的装饰性或者吸引性的丝。
蚕可以纺丝，如果修改相关基因，按照逻辑，蚕可以用纺丝的方式生产其他的“丝”。
家蚕的丝腺和蜘蛛丝腺表现出非常相似的理化环境。为了从蚕中纺出蜘蛛丝，东华大学研究团队采用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术，并通过数十万次向受精蚕卵的微量注射，将蜘蛛丝蛋白基因导入蚕的 DNA 中，使其在蚕的腺体中表达。
使用转基因蚕生产蜘蛛丝，如何达到甚至超越天然蜘蛛丝的强度和韧性是一个重要问题。
研究人员首先要找到影响强度和韧性的基本因素。他们找来尼龙和凯夫拉纤维，两者虽然都是聚酰胺纤维，但在韧性和拉伸强度方面表现出显著差异，尼龙具有更高的韧性，而凯夫拉纤维则表现出优异的拉伸强度。
聚合物的机械性能与其分子结构密切相关，主要由氢键等非共价相互作用决定。研究人员通过对比尼龙和凯夫拉纤维的机械性能，提出了一个理论框架，阐明了决定纤维韧性和强度的基本因素。
随后，采用同源建模方法，他们引入了一种新颖的蚕丝的“最小基本结构模型”。该模型适用于解释和预测纤维之间的机械性能差异。此外，它还指导蜘蛛丝蛋白在家蚕丝腺内的“本土化”，使蜘蛛丝蛋白适应蚕丝腺，能够正确纺丝。
最终，研究人员通过转基因蚕获得的全长蜘蛛丝纤维具有高拉伸强度（1299 MPa）和卓越的韧性（319 MJ/m3）。
鉴于蚕丝是目前唯一大规模商业化、饲养技术成熟的动物丝纤维，利用转基因蚕生产的蜘蛛丝纤维有望实现低成本、大规模商业化。
3、蜘蛛丝的应用很多但却为什么没有普及
由于蜘蛛丝具有优异的结构和性能，它在许多领域都有着广阔的应用，比如纺织领域蜘蛛丝可以用于制作各种衣物和服饰。蜘蛛丝的纺织历史可以追溯到古代，当时人们用蜘蛛丝做成了帽子、围巾、手套等。现代的蜘蛛丝纺织品则更加精致和华丽，比如在2009年，英国维多利亚和阿尔伯特博物馆展出了一件由100个人花了将近四年的时间，收集了120万只金丝蛛的蜘蛛丝制作而成的斗篷，这件斗篷不仅色泽鲜艳，而且它的性能甚至能够超过目前最强的碳纤维材料。
还有医学领域，蜘蛛丝是一种天然的生物相容性材料，它具有良好的生物降解性、抗菌性、抗凝血性等特点，可以用于制作各种医疗器械和药物载体。比如，用蜘蛛丝制作的缝合线可以有效地促进伤口愈合，同时又不会引起排异反应或感染；用蜘蛛丝制作的人工皮肤可以有效地修复烧伤或创伤造成的皮肤损伤，同时又不会影响皮肤正常功能；用蜘蛛丝制作的药物载体可以有效地将药物输送到目标部位，同时又不会对正常组织造成毒副作用。
除此之外，蜘蛛丝还有许多其他潜在的应用领域，甚至可以制作航天器、卫星等。
既然蛛丝这么好，为什么我们没有看到它在实际中广泛的使用呢？
主要因为目前我们人类还没有攻克蛛丝大规模生产的难题。蜘蛛不像蚕一样可以集中大规模的养殖，仅靠从野外收集，效率太低了，因此科学家正在想办法人造蛛丝，目前最好的办法就是改造生物体的基因，比如把蛛丝基因转移到植物的身上，甚至美国华夏农大学的研究人员把蛛丝基因转移到了山羊的体内，这样的转基因山羊产的奶里面就存在大量的蛛丝蛋白，也有科学家还尝试把蛛丝基因转移到了蚕的身上。但问题是以上的这些产生的蛋白分子量都比蛛丝蛋白要小，只有几万道尔吨，而蛛丝蛋白为35万道尔吨，因为蛛丝的抗拉强度和韧性，与其分子量呈正相关，分子量越大，蛛丝就越坚固。
来源：印染学习与交流
