蜘蛛能吐出紅色熒光蛛絲，這事兒你敢信嗎？

圖源：pinterest 改制

最近，德國的科學家利用“基因剪刀”CRISPR-Cas9技術，讓蜘蛛吐出了紅色熒光蛛絲！這波操作可不只是為了好看，還能刷新你對“超級材料”的認知！

能吐紅色熒光蛛絲的轉(zhuǎn)基因蜘蛛 (溫室希蛛) | 圖源：德國拜羅伊特大學

科學家為啥盯上蜘蛛絲來“動刀子”呢？因為它——實在太強了！

自然界的“生物鋼絲”，

能有多強？

別看掛在墻角的蜘蛛絲比頭發(fā)絲還細、一掃就斷，其實它是材料界低調(diào)的“王者”。

細細的蜘蛛絲被放置在人類頭發(fā)上 | 圖源：medium

如果把蛛絲紡成和其他常見材料一樣粗細，那它在強度、韌性和彈性這三大性能上幾乎可以吊打一眾材料。

蛛絲的單位重量抗拉強度大約是 1.4 GPa，跟高級合金鋼（0.45-2 GPa）差不多，雖然比不上凱夫拉纖維（3 GPa，能用來做防彈衣的那種），但它有著鋼鐵和凱夫拉纖維都無法媲美的韌性和彈性。

蛛網(wǎng)能承托遠超自身重量的水滴 | 圖源：pinterest

數(shù)據(jù)顯示：蜘蛛絲的斷裂能（斷裂需要的能量）高達160 MJ/m3，是凱夫拉纖維（約50 MJ/m3）的三倍以上！不僅能拉伸到原長的 1.4 倍 不斷裂，遇水還能自動恢復到原來的長度。

難怪蛛網(wǎng)能把高速飛行的小蟲子攔截——因為它就像一張“生物彈簧床”。

圖源：jamesriverpestsolutions

蛛絲可以被自然降解，具有對人體友好的生物相容性。眾多的優(yōu)點，讓科學家們盯上了它，想通過基因編輯把它打造成未來的超級纖維，用在紡織、醫(yī)用和軍用等多個領域。

基因剪刀如何

在蛛絲DNA中動刀？

德國科學家團隊使用的 CRISPR-Cas9 技術，堪稱納米級別的“分子手術刀”，如今已經(jīng)成為分子細胞生物學中應用最廣泛的基因編輯工具之一。

它能在蜘蛛的DNA里精準“動刀”，通過改造特定基因，賦予蛛絲人類想要的新特性。

要讓這把“剪刀”精準命中目標，得靠另一位“隊友”——引導 RNA 來指路。在這套系統(tǒng)中，引導RNA就像一支“勘探小分隊”，能精準識別目標基因的位置。

制作一條與紅色DNA序列互補的引導RNA（藍色部分），引導RNA可以讓Cas9與其結(jié)合 | 圖源：pansci

Cas9 蛋白相當于“爆破隊”，能在定位處精準切割靶標基因。

Cas9和引導RNA進入細胞，引導RNA找到互補的DNA序列，由Cas9剪開 | 圖源：pansci

而細胞自帶的同源重組機制就像是“施工隊”，會把被插入的新基因修補進缺口，從而完成整個基因編輯過程。

在斷口處，貼上正確的基因 | 圖源：pansci

研究團隊利用CRISPR-Cas9技術成功將水母綠色熒光蛋白（GFP）或珊瑚紅色熒光蛋白（DsRed）基因精準嵌入到了大腹園蛛拖絲蛋白基因2（MaSp2）中的特定序列處，培育出世界首批表達紅色熒光蛛絲蛋白的轉(zhuǎn)基因蜘蛛，這也是人類首次成功將 CRISPR-Cas9 基因編輯工具應用于蜘蛛。

“基因剪刀”不僅讓蜘蛛吐出彩色絲，還賦予蛛絲更多“超能力”，有望在材料、醫(yī)療和軍工等領域引發(fā)革命。

基因改造除了變色

還賦予蛛絲哪些可能性？

醫(yī)療領域

利用蛛絲良好的生物相容性，經(jīng)改造的蛛絲可以作為手術縫合線使用，不僅高強度 （承重是傳統(tǒng)羊腸線的5倍） 、可降解，還具備抗菌特性，能降低術后感染率。 加入對濕度敏感的蛋白，還能遇水自動收縮，變身“智能縫合線” 。

圖源：Allexxandar/Shutterstock.com

也可作為神經(jīng)再生導管引導神經(jīng)細胞定向生長（已有動物實驗成功修復3厘米的神經(jīng)缺損）。如果再增加“導電性能”，還能傳遞電刺激，促進神經(jīng)元修復。

材料領域

利用蛛絲可降解的特點，可以將蛛絲制備成海洋友好型漁網(wǎng)，不僅強度超越尼龍網(wǎng)，還能在被遺棄后6個月內(nèi)完全降解。 加上熒光標記后，這種漁網(wǎng)還能實現(xiàn)精準追蹤，方便回收 。

廢棄漁網(wǎng)常常成為海洋生物的“死亡陷阱” | 圖源：藍灣生態(tài)環(huán)境公益服務中心

憑借蛛絲“彈性好”和“遇水恢復形狀”的特點，還可以制成機械彈簧和智能形狀記憶元件。比如，通過編輯彈性蛋白序列，就能造出拉一下能彈回原狀的超彈“生物橡皮筋”（回彈率超過95%）。

軍工領域

蛛絲比鋼強、比羽輕，非常適合做超輕隱形防彈衣。同等防護級別下，重量比凱夫拉防彈衣減輕40%。通過插入蠶絲蛋白模塊，還能讓蛛絲強度提升40%。

一件由馬達加斯加金球蛛絲制成的披風，在倫敦維多利亞和阿爾伯特特博物館展出 | 圖源：sofrep

從實驗室走向現(xiàn)實，

蛛絲的未來還有多遠？

蜘蛛絲雖然集各種優(yōu)點于一身，產(chǎn)量卻讓人頭疼。

蜘蛛不像蠶那么好管理（可以密集化養(yǎng)殖，乖乖吐絲），它們是出了名的“獨居動物”，具有極強的領地意識。一旦聚集密度太高，就容易“內(nèi)卷”——不是打架就是吃掉同伴，因此無法通過規(guī)?；B(yǎng)殖獲取蛛絲。

雄蜘蛛為避免被吃，將一只情敵裹起來送給雌蛛 | 圖源： Conall McCaughey

盡管蛛絲研究前景廣闊，但要實現(xiàn)量產(chǎn)，還需突破量產(chǎn)瓶頸、結(jié)構難以復刻、倫理規(guī)范等問題。

目前科研團隊正嘗試組合基因剪輯和合成生物學技術——將編輯后的蛛絲基因轉(zhuǎn)入光合細菌，利用太陽能規(guī)?；a(chǎn)，同時探索3D生物打印復雜絲蛋白結(jié)構。

期待科技的進一步發(fā)展，讓蛛絲在材料、工業(yè)、軍事等領域大放異彩。

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來源：上海自然博物館

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