中国科学家新方法探究家蚕纺丝百年谜题，为人造纤维仿生设计指路

蚕丝的显微结构。受访者供图

两根丝素蛋白在粘合后成为一根蚕丝。桑蚕丝是自然界中集轻、柔、细于一体的天然蛋白纤维，被称为“纤维皇后”。

但家蚕是如何纺丝的，其细节机制一直是一个未解之谜，这也是蚕业科学近百余年来最受关注的科学问题之一。如果能破解这一谜题，人类就有可能借鉴、模仿甚至改进相关的纺丝策略，进行蚕丝的工业化生产，同时有可能创制出比蚕丝具有更高性能的人造纤维。

历经8年攻关，近日，西部(重庆)科学城长江上游种质创制大科学中心、西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心夏庆友/何华伟教授团队联合中国科学院生物物理研究所朱平研究员团队，在国际学术期刊《科学通报》（Science Bulletin）在线发表论文，进一步解密了家蚕的纺丝机制——即天然丝素蛋白（Natural silk fibroin, NSF）如何从家蚕的后部丝腺，经前部丝腺，最终被家蚕从口中吐出，形成蚕丝纤维。

1月16日，何华伟教授告诉澎湃科技，由于NSF是纤维性蛋白，难以形成蛋白质晶体，导致常规的X射线晶体衍射技术无法应用于其结构解析。在家蚕丝腺腔中，NSF在15-30% (w/v)的浓度下仍然保持结构稳定，而不发生聚集沉淀。然而，一旦脱离体内环境，NSF很快会聚集形成沉淀。

他表示，此前的研究发现，家蚕的丝腺腔中存在钠、钾、镁等金属离子，且其酸碱度(pH)从后向前连续下降。在最新发表的研究中，科研人员历时4年，筛查了1000余种化合物和5000多种化合物组合，最终发现，只有amphipol和digitonin可以在溶液中保持NSF的结构长期稳定。

在此基础上，研究人员发现，金属离子可逆地诱导NSF形成了沉降系数为5.8 S，直径约4 nm的柔性纳米纤维，而不是先前纺丝模型中提出的胶束或者蛋白聚集体结构。

家蚕巧妙地利用金属离子和pH梯度编程NSF自组装纺丝的机制示意图。

从家蚕后部丝腺（PSG）到前部丝腺（ASG），酸碱度连续下降，导致NSF疏水性增加，与水分子逐步分离，提高了NSF纺丝液的浓度，NSF从溶液转变成凝胶状，从而促进了蚕丝纤维的形成。

研究人员从石墨烯的发现过程获得灵感，建立了金属投影原位分析法，对家蚕丝腺腔中NSF的性质、结构和形态进行了原位分析。他们发现，NSF纳米纤维起初在丝腺腔中无序地排列，在前部丝腺靠近纺丝口处逐步发展成为高度有序排列的“鱼骨状”结构，为家蚕纺丝做好了充分的准备。

何华伟教授表示，金属投影原位分析法是该研究成果的重要创新之一，可用于其他纤维性蛋白的研究。据了解，最新发表的家蚕纺丝机制研究成果是西南大学蚕丝科学与技术团队继家蚕基因组框架图和遗传变异图等之后取得的又一个标志性研究成果，为家蚕的精准生物育种和人造纤维的仿生设计指明了发展的方向。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.050