蜘蛛丝因其超高的强度及极佳的韧性而受到人们的青睐，但由于蜘蛛本身具有攻击性的习性，蛛丝难以像蚕丝一样直接养殖量产。至今为止，研究者已经掌握了利用大肠杆菌等微生物生产重组蛛丝蛋白并人工拉丝的技术，但仍有几个因素制约了人工合成蛛丝的性能。首先，天然蛛丝蛋白是一种高重复性超高分子量的大蛋白，且其机械性能与其分子量呈正相关，而以前人们能够在微生物载体中直接表达的最大重组蛛丝蛋白仅有96个重复片段，拉丝后最终强度仅为～500MPa， 仍远低于天然蛛丝（0.8-1.4GPa）。其次，微生物中表达的重组蛛丝蛋白纯化过程非常复杂，从而限制了其被进一步工业化量产的潜力。
针对高分子量重组蛛丝蛋白表达困难及机械性能低的问题，张福中团队通过改变蛛丝蛋白形成β-纳米晶体的氨基酸序列，提高了同等分子量蛋白拉丝后的机械性能。天然蛛丝蛋白的重复片段由多聚丙氨酸（polyalanine segment）和高富含甘氨酸片段（glycine-rich segment）两部分组成，其中多聚丙氨酸因其疏水性的的特征在拉丝过程中会折叠形成β-纳米晶体。这些β-纳米晶体是蛛丝高强度的来源。张福中团队将多聚丙氨酸序列替换为几类不同结构的淀粉样蛋白（amyloid）序列，设计出多种淀粉样聚合蛋白（polymeric amyloid）。这些淀粉样聚合蛋白纺织的纤维丝展现出比相同分子量蛛丝蛋白更高的强度（2.8-3.4倍）和韧性（1.5-2.6倍）。
图1. 淀粉样聚合蛋白纤维丝的合成流程
广角X射线衍射（WAXD）结果表明，几种淀粉样聚合蛋白在拉丝过程中均形成β-纳米晶体，其衍射图案呈现明显的淀粉样蛋白纳米纤维的特征。这些纳米晶体展现出严格双层β-片层结构，与多聚丙氨酸的多层β-片层结构明显不同。同时，几种设计合成的淀粉样聚合蛋白的β-纳米晶体含量均远高于重组蛛丝，这也解释了高强度和高韧性的来源。
图2. 淀粉样聚合蛋白纤维丝中的β-纳米晶体与重组（多聚丙氨酸）蛛丝中β-纳米晶体的结构对比
在此基础上，张福中团队进一步合成并纯化了高分子量的淀粉样聚合蛋白。对于重组蛛丝蛋白来说，表达96个重复序列已经是微生物合成的极限，而淀粉样聚合蛋白由于其序列重复性较低可以用微生物合成出含有128个重复序列的超大蛋白分子（128xFGAILSS），且该蛋白可以使用色谱柱简单纯化，无需经历复杂的硫酸铵沉淀步骤。该蛋白纺出的纤维丝达到0.98 ± 0.08GPa的强度和161 ± 26GPa的韧性，性能远优于之前报导过的重组蛛丝，并可与部分天然蛛丝性能相媲美。这也是张福中团队近年来第二次用合成生物学的方法生产出千兆帕级别强度的纤维丝。该工作为未来可再生超高强度纤维类材料的设计、优化和工业化生产提供了新的思路。
图3. 128xFGAILSS淀粉样聚合蛋白思维形态、机械性能以及与其他重组/天然蛛丝性能的对比。红星代表本工作报导的128xFGAILSS纤维丝，黑色圆点代表此前发表的重组蛛丝，棕色圆点代表天然蛛丝
以上成果发表在ACS Nano（DOI：10.1021/acsnano.1c02944）上。论文的第一作者为圣路易斯华盛顿大学能源、环境与化学工程系博士生Jingyao Li（李敬尧），通讯作者为张福中教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.1c02944
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