科學家研究蜘蛛絲50年後終於有了突破

  蜘蛛絲是蜘蛛織網的東西，是材料工程師的夢想：它們的重量可以比鋼輕得多，也可以更堅韌更靈活。蜘蛛絲也不會刺激人體免疫系統。有些甚至抑制細菌和真菌，使其成為手術和醫療器械應用的理想選擇。這些自然奇迹的開發一直很慢，部分原因是識別和表徵蜘蛛絲基因所面臨的挑戰，但賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院的研究人員現在已經取得了蜘蛛絲基因方面的重大進展。。

  正如他們今天在自然遺傳學（Nature Genetics）的高級在線論文中所報告的那樣，Penn科學家和他們的合作者對金色的天鵝絨蜘蛛（Nephila clavipes）的全基因組進行了測序，這是一種多產的絲綢紡絲機，可以產生28種絲蛋白質。研究人員除了編寫新的蜘蛛絲基因外，還發現了基因中的新穎模式，可能有助於解釋不同類型絲的獨特性質。

  「我們的研究中出現了如此多的驚喜：新的絲綢基因，新的DNA序列，可能賦予絲蛋白的強度，韌性，拉伸性等特性;甚至是絲毒蛋白，而不是絲腺。」資深作者Benjamin F. Voight博士，遺傳與系統藥理學與翻譯治療學系副教授。「所有這些新的信息都應該大大推動我們努力捕捉這些絲在人造材料中的非凡特性。」

  雖然蜘蛛絲已經被研究了50多年，但早期的基礎工作只確定了一些比較少的蜘蛛絲基因。即使是最近從golden orb-weaver的物種的作品，還不完整。為了找到隱藏在金色天鵝絨織物基因組中的所有絲綢基因 - 蜘蛛絲科學的名副其實的「實驗鼠」 - 需要構建整個基因組，這本身就是一項艱巨的任務。

  在新的研究中，Voight和他的同事們開始了對golden orb-weaver的基因組進行測序和重新組合的艱巨任務：一個與解決數百萬個拼圖的難題相當的任務，幾乎沒有關於這些片段如何組合的線索。

  在金色的天鵝絨織物的基因組中，研究人員確定了超過14,000個可能的基因，其中包括28個似乎編碼蜘蛛絲蛋白質的蜘蛛絲蛋白，這些基因被稱為蜘蛛網。

  根據其蛋白質序列和功能，將其分為七類：這些類別包括用於包裹獵物的aciniform絲（和綁定合作夥伴進行交配）; 和蜘蛛（和蜘蛛俠）在工作時擺動的超強大的主要安瓿絲。然而，一些新發現的蜘蛛具有不適合任何這些類別的序列，這表明編碼的絲蛋白可能具有新穎的功能，或者現有類別需要重新定義。

  廣泛的計算分析揭示了近400個短序列 - 許多從未描述過 - 這些基因在不同的變化和不同的組合中重複出現。生物學家和工程師非常感興趣的是這些重複的「蜘蛛俠」主題，因為它們很可能賦予給定蜘蛛絲的關鍵性質，例如高拉伸強度，柔韌性或粘性。分析還將這些主題的小說，高階組織轉化為主題集（「磁帶盒」）和團體組（「合奏」）。

  Voight的團隊還檢查了來自不同的天然編織絲腺的基因轉錄物，並且在每種情況下都發現屬於多於一種的宿主類的轉錄物，表明這些腺體不是專門用於生產一種絲綢。「我們發現絲綢生產比我們預期的複雜度要大得多，」Voight說。

  最令人驚訝的是，發現其中一個蜘蛛 - FLAG-b是該集團的一個新發現 - 似乎主要在天鵝絨的毒液而不是任何絲腺中產生，暗示著有趣的新功能用於連接捕食，固定或保存的絲綢。

  在對基因組數據的分析中，Voight及其同事們還發現了649個可能不是宿主基因的基因，但在絲腺中高度表達，因此可能在將液體絲從蜘蛛細胞轉變成固體，可紡絲的作用生物技術工程師剛剛開始在蜘蛛之外實現的過程。

  Voight和他的團隊現在正在跟蹤達爾文的樹皮蜘蛛的基因組測序研究，這個研究是最有名的絲綢，並且已知與他們跨越河流。

  科學家們也在研究實驗室中從絲氨酸DNA序列開始快速生產絲綢的技術，以更好地了解這些序列及其基序如何編碼絲綢的生物和物理性質。

  「當我說我們想在實驗室里建立一個」蜘蛛俠「的」網路射手「遊戲時，我只是半開玩笑。」Voight說。