來自倫敦國王學院及加州聖地牙哥州立大學的研究人員，最近終於解碼了使蜘蛛絲比鋼更強、比Kevlar更韌的分子機制。了解這些分子機制對於科學和技術發展至關重要，因為它提供了一條可持續的道路，以生產與鋼相媲美的纖維，同時也能深入了解驅動人類大腦疾病的蛋白質結構。這項研究的成果可能會導致新型的仿生材料，用於航空、保護服和醫療應用等領域。
「這項研究提供了原子級別的解釋，說明了無序蛋白質如何組裝成高度有序、高性能的結構。」計算材料科學教授Chris Lorenz在2月5日表示。蜘蛛的拖曳絲是一種重要的生物材料，其驚人的強度是通過蜘蛛體內複雜的生物過程形成的。這一過程始於絲腺，絲液是一種高度濃縮的液體蛋白質，最終凝結成液滴，然後被擠出形成堅固的超強纖維。儘管科學家們早已觀察到這種液體到固體的轉變，但將這些液滴轉變為高性能最終結構的確切分子鏈接，直到現在才被揭示。
這項研究首次確定了特定的氨基酸——精氨酸和酪氨酸，作為分子粘合劑，賦予蜘蛛絲其傳奇般的性質。為了揭示蜘蛛絲的秘密，跨學科團隊使用了高科技工具，包括AlphaFold3建模、分子模擬和核磁共振光譜學。這項合作揭示了精氨酸和酪氨酸的具體配對作為化學觸發劑，啟動了蛋白質的初始聚集，最終形成固體纖維。隨著纖維的固化，這些精氨酸-酪氨酸的相互作用仍然活躍，成為賦予蜘蛛絲無與倫比的機械優勢的納米結構的建築基礎。
有趣的是，蜘蛛用來編織網的分子技巧，與人類神經遞質和激素受體中的複雜信號過程相似。這使得蜘蛛絲的超能力成為研究人類體內複雜生物過程的優化自然模型。SDSU教授Gregory Holland表示：「令我們驚訝的是，絲這種通常被認為是美麗簡單的天然纖維，實際上依賴於非常複雜的分子技巧。我們發現的相互作用與神經遞質受體和激素信號傳導中使用的相似。」
該研究表明，絲蛋白的組織方式反映了蛋白質在神經退行性疾病（如阿爾茨海默病）中的行為。在蜘蛛和人類中，蛋白質都會從液態狀態轉變為致密的結構形式。在蜘蛛中，這導致了世界上最堅韌的纖維，而在人體內，此過程可能導致富含β-折疊的斑塊形成，擾亂大腦功能。這暗示蜘蛛絲的研究可能為人類健康提供新的見解，尤其是在理解生物信號如何在分子層面上運作方面。
Holland解釋道，研究絲的過程為我們提供了一個乾淨且經過進化優化的系統，以理解如何控制相分離和β-折疊的形成。儘管外觀纖細，蜘蛛絲在重量相等的情況下比鋼強，且比Kevlar更具韌性，這使其成為下一代纖維的理想模板。未來，蜘蛛絲有潛力用於開發高性能、可持續的材料，應用於從航空工程到先進防護裝備等各個領域。該研究的結果已發表在《美國國家科學院院刊》上。
