黑寡妇蜘蛛如何创造钢强度丝网的神秘面纱进一步揭开

西北大学和圣地亚哥州立大学(SDSU)的研究人员更好地揭示了黑寡妇蜘蛛如何将蛋白质转化为钢纤维的复杂过程。这些知识有望帮助科学家创造出同样强大的合成材料。

黑寡妇蜘蛛及其亲属原产于北美，欧洲，亚洲，澳大利亚，非洲和南美洲的温带气候，生产出一系列具有特殊材料特性的丝绸。

科学家早就知道构成一些蜘蛛丝蛋白的氨基酸的主要序列，并了解纤维和纤维网的结构。先前的研究表明，蜘蛛丝蛋白质等待纺丝过程为纳米级两亲球形胶束(水溶性和不溶性分子簇)，然后通过蜘蛛的纺丝设备漏出形成丝纤维。然而，当科学家试图复制这一过程时，他们无法制造出具有天然蜘蛛丝纤维强度和性质的合成材料。

“知识差距确实在中间，”西北大学的Nathan C. Gianneschi说。“我们完全不了解的是丝腺或纺丝管道纳米尺度的变化 - 蛋白质变成纤维的储存，转化和运输过程。”

Gianneschi是Weinberg艺术与科学学院化学系的Jacob和Rosaline Cohn教授，以及McCormick工程学院的材料科学与工程系和生物医学工程系。他与圣地亚哥州立大学化学与生物化学系副教授Gregory P. Holland以及40多篇关于蜘蛛丝的论文的作者是该论文的共同作者。

利用互补的，最先进的技术 - 核磁共振(NMR)光谱，MRI中使用的相同技术，SDSU，然后是西北大学的电子显微镜 - 研究团队能够更加密切地看到内部丝纤维起源的蛋白质腺，揭示了更复杂，更分层的蛋白质组装。

这种“改性胶束理论”得出的结论是，蜘蛛丝蛋白不像以前认为的那样以简单的球形胶束开始，而是作为复杂的复合胶束开始。这种独特的结构可能需要创造黑寡妇蜘蛛令人印象深刻的纤维。

“我们现在知道黑寡妇蜘蛛丝是从分层纳米组件(直径200到500纳米)中分离出来的，这些蛋白质储存在蜘蛛腹部，而不是从单个蛋白质或简单球形颗粒的随机溶液中分离出来，”Holland说。

如果重复，“像这样的材料的实际应用基本上是无限的，”Holland说，并且可能包括军用，急救员和运动员的高性能纺织品; 电缆桥架及其他建筑用建筑材料; 环保的塑料替代品; 和生物医学应用。

“人们不能夸大对材料和工程的潜在影响，如果我们能够综合复制这种自然过程来大规模生产人造纤维，”Gianneschi说，他也是国际纳米技术研究所的副主任和辛普森奎瑞研究所的成员。和西北大学生命过程化学研究所。“简单地说，这将是变革性的。”