科学家研究蜘蛛丝50年后终于有了突破

蜘蛛丝是蜘蛛织网的东西，是材料工程师的梦想：它们的重量可以比钢轻得多，也可以更坚韧更灵活。蜘蛛丝也不会刺激人体免疫系统。有些甚至抑制细菌和真菌，使其成为手术和医疗器械应用的理想选择。这些自然奇迹的开发一直很慢，部分原因是识别和表征蜘蛛丝基因所面临的挑战，但宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员现在已经取得了蜘蛛丝基因方面的重大进展。。

正如他们今天在自然遗传学（Nature Genetics）的高级在线论文中所报告的那样，Penn科学家和他们的合作者对金色的天鹅绒蜘蛛（Nephila clavipes）的全基因组进行了测序，这是一种多产的丝绸纺丝机，可以产生28种丝蛋白质。研究人员除了编写新的蜘蛛丝基因外，还发现了基因中的新颖模式，可能有助于解释不同类型丝的独特性质。

“我们的研究中出现了如此多的惊喜：新的丝绸基因，新的DNA序列，可能赋予丝蛋白的强度，韧性，拉伸性等特性;甚至是丝毒蛋白，而不是丝腺。”资深作者Benjamin F. Voight博士，遗传与系统药理学与翻译治疗学系副教授。“所有这些新的信息都应该大大推动我们努力捕捉这些丝在人造材料中的非凡特性。”

虽然蜘蛛丝已经被研究了50多年，但早期的基础工作只确定了一些比较少的蜘蛛丝基因。即使是最近从golden orb-weaver的物种的作品，还不完整。为了找到隐藏在金色天鹅绒织物基因组中的所有丝绸基因 - 蜘蛛丝科学的名副其实的“实验鼠” - 需要构建整个基因组，这本身就是一项艰巨的任务。

在新的研究中，Voight和他的同事们开始了对golden orb-weaver的基因组进行测序和重新组合的艰巨任务：一个与解决数百万个拼图的难题相当的任务，几乎没有关于这些片段如何组合的线索。

在金色的天鹅绒织物的基因组中，研究人员确定了超过14,000个可能的基因，其中包括28个似乎编码蜘蛛丝蛋白质的蜘蛛丝蛋白，这些基因被称为蜘蛛网。

根据其蛋白质序列和功能，将其分为七类：这些类别包括用于包裹猎物的aciniform丝（和绑定合作伙伴进行交配）; 和蜘蛛（和蜘蛛侠）在工作时摆动的超强大的主要安瓿丝。然而，一些新发现的蜘蛛具有不适合任何这些类别的序列，这表明编码的丝蛋白可能具有新颖的功能，或者现有类别需要重新定义。

广泛的计算分析揭示了近400个短序列 - 许多从未描述过 - 这些基因在不同的变化和不同的组合中重复出现。生物学家和工程师非常感兴趣的是这些重复的“蜘蛛侠”主题，因为它们很可能赋予给定蜘蛛丝的关键性质，例如高拉伸强度，柔韧性或粘性。分析还将这些主题的小说，高阶组织转化为主题集（“磁带盒”）和团体组（“合奏”）。

Voight的团队还检查了来自不同的天然编织丝腺的基因转录物，并且在每种情况下都发现属于多于一种的宿主类的转录物，表明这些腺体不是专门用于生产一种丝绸。“我们发现丝绸生产比我们预期的复杂度要大得多，”Voight说。

最令人惊讶的是，发现其中一个蜘蛛 - FLAG-b是该集团的一个新发现 - 似乎主要在天鹅绒的毒液而不是任何丝腺中产生，暗示着有趣的新功能用于连接捕食，固定或保存的丝绸。

在对基因组数据的分析中，Voight及其同事们还发现了649个可能不是宿主基因的基因，但在丝腺中高度表达，因此可能在将液体丝从蜘蛛细胞转变成固体，可纺丝的作用生物技术工程师刚刚开始在蜘蛛之外实现的过程。

Voight和他的团队现在正在跟踪达尔文的树皮蜘蛛的基因组测序研究，这个研究是最有名的丝绸，并且已知与他们跨越河流。

科学家们也在研究实验室中从丝氨酸DNA序列开始快速生产丝绸的技术，以更好地了解这些序列及其基序如何编码丝绸的生物和物理性质。

“当我说我们想在实验室里建立一个”蜘蛛侠“的”网络射手“游戏时，我只是半开玩笑。”Voight说。