最新Natue子刊：首次揭示蠶絲與蜘蛛絲的超微結構差異，為設計高性能人造絲提供新思路

絲綢作為一種擁有數千年歷史的天然材料，因其出色的力學性能和生物相容性，在現代生物醫學、柔性電子器件等領域展現出巨大潛力。然而，盡管蠶絲和蜘蛛絲以其媲美高性能鋼纜的強度和韌性而聞名，其內部的蛋白質是如何組裝成如此卓越的宏觀材料的，這一直是科學界懸而未決的難題。傳統的電子顯微鏡研究方法往往需要對樣品進行化學固定和染色，這會破壞蛋白質的原始結構，導致對絲纖維基本構成單元的認知長期存在爭議。面對這一挑戰，來自中國科學院生物物理研究所的科研團隊，利用先進的冷凍電子斷層掃描技術，首次在近天然狀態下，以前所未有的分辨率揭示了蠶絲、蜘蛛絲以及人造絲內部的三維超微結構。

中國科學院生物物理研究所朱平研究員、李巖教授合作，通過對蠶絲、蜘蛛絲及人造絲的深入比較，揭示了它們之間決定性能的關鍵結構差異。研究發現，無論是蠶絲還是蜘蛛絲，其最基礎的構成單元都是直徑約為3.6納米的“珠串狀”納米纖維，這一尺寸是迄今為止在絲纖維中觀察到的最小結構單元。在蠶絲中，這些納米纖維并非簡單平行排列，而是形成了獨特的“人字形”層狀堆疊結構，且纖維之間存在大小不一的間隙。相比之下，蜘蛛絲中的納米纖維排列得更為緊密，幾乎完美地沿纖維軸平行排列，幾乎看不到任何空隙。而用人造絲素蛋白溶液紡出的人造絲，其內部納米纖維則缺乏這種高度有序的排列，結構松散，這直接解釋了為何天然絲的性能遠超人造絲的現狀。相關論文以“Cryo-ET comparison of the hierarchical ultrastructure of silkworm, spider, and artificial silk fibers”為題，發表在

Nature Communications

通過對蠶絲腺體中提取的天然絲素蛋白進行觀察，研究團隊首次在體外證實了絲素蛋白本身呈現為一種高度柔性的納米纖維結構，直徑約為4.0±0.6納米，長度為32.7±16.4納米（圖1a-c）。進一步的亞斷層圖平均結果顯示，這些納米纖維呈現出獨特的“珠串”形態（圖1d）。結合AlphaFold 3的結構預測分析（圖1e），研究人員推測，這些“珠子”并非單個絲素蛋白分子，而是由絲素蛋白分子內部的不同結構域折疊而成，顛覆了以往認為絲蛋白是球形膠束或棒狀聚集體的傳統觀點。

圖1 | 天然絲素蛋白是直徑約4納米的“珠串狀”納米纖維。 a. 從中部絲腺后部提取的天然絲素蛋白的斷層圖切片。黃色箭頭指示一根典型的納米纖維（上），下方展示不同彎曲度的納米纖維（黃線勾勒出彎曲軌跡）。 b. 與(a)同一區域的斷層圖分割圖。 c. 納米纖維直徑和長度的測量數據。 d. 平均后的天然絲素蛋白納米纖維的縱向三維結構。 e. 利用AlphaFold 3預測的絲素蛋白重鏈（Δ2303-2621）的三維結構。

為了探究在纖維形成過程中絲素蛋白的結構是否發生變化，研究人員利用冷凍聚焦離子束技術將蠶絲切制成僅百納米厚的薄片，并在冷凍電鏡下進行了三維重構。結果顯示，在絲纖維內部，絲素蛋白依然保持著直徑約3.6±0.8納米的納米纖維形態（圖2g-h），這與在腺體中觀察到的結構基本一致。這些納米纖維總體上平行于纖維軸排列，但分布并不均勻，存在緊密堆積和松散區域（圖2a-b）。有趣的是，在緊密排列的區域，相鄰的納米纖維之間通過大量的“橋接”結構相互連接（圖2c-f），這些橋梁可能是纖維受力時傳遞載荷、增強韌性的關鍵結構。

圖2 | 蠶絲中絲素蛋白的總體結構保持不變。 a. 蠶絲中絲素蛋白和絲膠蛋白在XY和YZ視圖下的形態與排列的斷層切片。紫色框：平行排列的絲素納米纖維；紅色框：非平行排列的絲素納米纖維；藍色框：松散排列的絲素納米纖維；綠色框：緊密堆積的絲素納米纖維。 b. 與(a)同一區域的絲素納米纖維三維模型。紫色：絲素納米纖維；黃色：未知生物大分子。 c-d. 展示絲素納米纖維間典型交叉橋接結構的斷層切片。 e-f. 與(c-d)同一區域的三維分割圖，展示了絲素納米纖維（綠色、黃色、紫色）之間的橋接結構（藍色、銀灰色）。 g. 作為絲纖維基本構建模塊的平均絲素納米纖維的三維結構。 h. 納米纖維直徑和長度的測量數據。

為了探究蜘蛛絲擁有更強力學性能的結構基礎，研究人員對野生大腹園蛛的蛛絲進行了同樣的分析。實驗結果表明，從蜘蛛大壺狀腺中提取的蛛絲蛋白同樣呈現為“珠串狀”的納米纖維（圖3a-c），但其分子量低于蠶絲絲素蛋白（圖3d）。更關鍵的區別在于，在形成的蜘蛛絲纖維內部，這些納米纖維排列得極為緊密，高度平行，幾乎不存在任何可見的間隙（圖3e-f），這種致密的結構是其強度超越蠶絲的直接原因。相比之下，利用界面牽伸法制備的人造蠶絲，盡管原料也是同樣的天然絲素蛋白，但其內部納米纖維的取向雜亂無章，相分布極不均勻（圖3g-h），這凸顯了紡絲過程中微環境對最終結構形成的決定性作用。

圖3 | 蜘蛛絲中緊密堆積的蛛絲蛋白納米纖維。 a. 在中國四川野外捕獲的大腹園蛛。 b. 蜘蛛絲腺；箭頭指示大壺狀腺。 c. 從蜘蛛大壺狀腺中提取的蛛絲蛋白的金屬投影圖像，表明蛛絲蛋白是納米纖維。 d. 蠶絲絲素蛋白與蜘蛛大壺狀腺蛛絲蛋白的4-16%梯度SDS-PAGE分析。所有實驗獨立重復三次，結果相似。 e. 蜘蛛絲中緊密堆積的蛛絲蛋白納米纖維的低倍投影圖像。 f. (e)中方框區域放大后的蛛絲蛋白納米纖維斷層切片。插圖顯示絲蛋白納米纖維的排列方式。 g. 人造絲中松散堆積的絲素納米纖維的低倍投影圖像。 h. (g)中方框區域放大后的絲素納米纖維斷層切片。插圖顯示可能的絲蛋白納米纖維排列方式。

在成功解析基本結構單元后，研究團隊進一步探究了蠶絲內部更高層級的組織方式。通過引入深度學習算法REST來提升斷層圖的信噪比和分辨率，研究人員在蠶絲的橫截面（XZ視圖）上清晰地觀察到了大量規則排列的點狀結構（圖4a-b）。通過三維追蹤證實，每一個點都代表一根垂直于觀察面、沿纖維軸向延伸的納米纖維。這些納米纖維在空間上層層堆疊，最終構成了一個貫穿纖維整體的“人字形”三維網絡結構（圖4c-d），這與家蠶前部絲腺近吐絲口處觀察到的預排列模式（圖4e）完全吻合，證明這種高度有序的“人字形”結構在紡絲過程中被穩定地保留在了最終的纖維中。

圖4 | 絲素納米纖維在蠶絲中形成各向異性的“人字形”圖案。 a. 蠶絲中絲素蛋白在XY和YZ視圖下的斷層切片。 b. 與(a)同一區域，使用REST方法處理后的斷層切片，該方法顯著去除了噪聲并提高了絲素納米纖維的信噪比，特別是在XZ視圖中，沿z軸的點狀結構變得清晰可見。 c. 與(b)同一厚片中的絲素納米纖維組織三維模型，顯示出類似人字形的圖案。 d. (c)中三維模型的傾斜視圖。 e. 在前部絲腺靠近吐絲口的末端區域，天然絲素蛋白自組裝成人字形圖案。 f. 基于冷凍電子斷層掃描的人字形圖案三維模型，顯示納米纖維沿z軸平行排列。

綜上所述，這項研究利用冷凍電子斷層掃描技術，首次在納米尺度上系統描繪了蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的“全景”三維結構圖。研究表明，絲纖維的基本構成單元是直徑約3.6納米的納米纖維，這些纖維通過“人字形”方式堆疊形成宏觀纖維（圖5a）。蜘蛛絲因其納米纖維排列極致緊密而性能卓越，而人造絲則因缺乏這種有序排列而性能不佳（圖5b）。這項研究不僅為理解動物絲的紡絲機制提供了關鍵的結構證據，也為未來設計、制造性能可定制的高性能仿生纖維材料提供了全新的分子評價標準和設計藍圖。未來，結合AlphaFold等蛋白質結構預測工具和基因編輯技術，或許能真正實現根據需求設計并制造出超越天然性能的“夢幻纖維”。

圖5 | 蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的結構、組成與組織方式對比。 a. 絲的基本結構單元是直徑約3.6納米的納米纖維。絲素蛋白是一種纖維狀蛋白而非球狀蛋白，而絲膠蛋白不呈現纖維特征。絲內部的這些納米纖維呈各向異性排列，形成人字形圖案，而不僅僅是簡單地平行堆疊。多層的這種“人字形”排列沿同一方向排列，最終形成微米級的絲纖維。 b. 蠶絲、蜘蛛絲和人造絲的比較研究。在蜘蛛絲中，可以清晰地觀察到由納米纖維構成的致密結構，其長軸緊密地平行于流動方向排列，沒有留下任何可見的間隙。相比之下，蠶絲在納米纖維之間表現出更大的、區域變化的間隙，而人造絲則缺乏天然絲特有的高度有序排列。比例尺，20納米。