人工蚕丝合成技术 汪宇岑16301050115 技术原理 蚕丝是自然界中最轻最柔最细的天 然纤维,撤消外力后可轻松恢复原状 内胎不结饼,不发闷,不缩拢,均匀柔 和,可永久免翻使用。桑蚕丝主要由动 物蛋白组成,富含十八种人体所必须的 氨基酸,能促进皮肤细胞活力,防血管 硬化,长期使用可防皮肤衰老,对某些 皮肤病有特殊的止痒效果,对关节炎 肩周炎,哮喘病有一定的保健作用。素 有“人体第二肌肤”、“纤维皇后”之 美誉。蚕丝被,采用上等的蚕丝,以新 颖的纤陌结构,使水汽自由流通。加上 蚕丝本身特有的透气、透湿性能,使蚕 丝被感觉更加滑,爽不温,温而不燥 飘逸润滑的桑蚕丝衣服,也是许多人的 最爱。但由于桑蚕丝爱泛黄、易皱,衣 服款式、花色比较单一,让人有些爱不 起来,且因原料较少而往往价格高昂 心<D 只家蚕约有16425个基因,完 全掌握家蚕的基因序列,将可以像编 b TALEN 辑文档一样,对家蚕的基因组进行任 意地剪切、复制、粘贴、删除。 在这16425个基因中,其中一个 基因叫做Fib-H基因,它是丝蛋白的 最主要成分,是几千年以来人类驯化 和利用家蚕的主要靶标。利用锌指核 酸酶技术(一种能够定向性重组染色 体DNA的技术),研究者在家蚕的生 殖细胞中“剪切”掉了其中的Fib-H 基因,没有Fib-H基因的家蚕丝腺, 叫做“空丝腺”。丝腺是家蚕用来制 造蚕丝的器官。丝腺存在于很多昆虫 和绝大部分蜘蛛体内,具有惊人的蛋 白合成能力和储藏能力,其中又以家 蚕的丝腺最为突出
人工蚕丝合成技术 汪宇岑 16301050115 技术原理 蚕丝是自然界中最轻最柔最细的天 然纤维，撤消外力后可轻松恢复原状， 内胎不结饼，不发闷，不缩拢，均匀柔 和，可永久免翻使用。桑蚕丝主要由动 物蛋白组成，富含十八种人体所必须的 氨基酸，能促进皮肤细胞活力，防血管 硬化，长期使用可防皮肤衰老，对某些 皮肤病有特殊的止痒效果，对关节炎， 肩周炎，哮喘病有一定的保健作用。素 有“人体第二肌肤”、“纤维皇后”之 美誉。蚕丝被，采用上等的蚕丝，以新 颖的纤陌结构，使水汽自由流通。加上 蚕丝本身特有的透气、透湿性能，使蚕 丝被感觉更加滑，爽不温，温而不燥。 飘逸润滑的桑蚕丝衣服，也是许多人的 最爱。但由于桑蚕丝爱泛黄、易皱，衣 服款式、花色比较单一，让人有些爱不 起来，且因原料较少而往往价格高昂。 一只家蚕约有 16425 个基因，完 全掌握家蚕的基因序列，将可以像编 辑文档一样，对家蚕的基因组进行任 意地剪切、复制、粘贴、删除。 在这 16425 个基因中，其中一个 基因叫做 Fib-H 基因，它是丝蛋白的 最主要成分，是几千年以来人类驯化 和利用家蚕的主要靶标。利用锌指核 酸酶技术（一种能够定向性重组染色 体 DNA 的技术），研究者在家蚕的生 殖细胞中“剪切”掉了其中的 Fib-H 基因，没有 Fib-H 基因的家蚕丝腺， 叫做“空丝腺”。丝腺是家蚕用来制 造蚕丝的器官。丝腺存在于很多昆虫 和绝大部分蜘蛛体内，具有惊人的蛋 白合成能力和储藏能力，其中又以家 蚕的丝腺最为突出
接下来,将事先设计好、与Fib-H基因类 似的人工丝蛋白基因,在显微镜下注射到被敲 除Fib-H基因的蚕卵体内,对蚕卵的基因进行 改造。被注入人工合成蛋白后,蚕卵的部分基 因发生改变。基因编辑成功的蚕卵,当它们长 大后,吐出的丝中就含有人工合成丝蛋白。 降低内源性家蚕丝蛋白的含量来提高外源蛋白表达量的策略 首先通过转基因干涉手段下调了 BuSer1基因的表达并利用红色荧光蛋白 DsRed作为标记蛋白证实了 Baser1的下调能够提高外源蛋白在中部丝腺的表 达量。在此基础上我们进一步提出了对丝蛋白主要编码基因进行敲除,创造能在 高量表达外源蛋白的同时消除丝蛋白对外源蛋白纯化影响的空丝腺,构建超级生 物反应器的设想。为此,我们建立了高效、稳定、简单易行的基于zFN、 TALEN 和 CRISPR/Casq的家蚕基因组编辑技术体系,并利用该体系对丝蛋白的最主要 成分BwFi-H蛋白的编码基因进行了敲除,获得了分别具有显性和隐性遗传特 性的两类突变品系。然后,利用EGFP融合蛋白和自主设计的人工蚕丝蛋白为模 技术应用 “不仅是吐绿色荧光的丝,理论上说,任何丝都可以吐出来。”西南大学家蚕基因组生物 学国家重点实验室博士马三垣说,这是世界上人工设计的蛋白纤维在活体生物中首次合 成,有着极其重要的应用价值。“更为重要的是,这项技术为大规模获取生物蛋白提供可 蚕丝纤维经过人工改造后,拥有优于天然蚕丝的特性,可代替天然蚕丝在服 饰、被芯等的制造中发挥作用;也可利用其中含量较髙的丝胶蛋白,通过加入其 它小分子人工丝蛋白用于吸水性更佳的面膜的生产,满足女士的需求。随着医学 的发达,临床上对生物蛋白的需求越来越大,疫苗、激素、人工骨架等药物和生 物材料都离不开生物蛋白。而家蚕、蜘蛛的丝腺具有惊人的合成和储存蛋白能力 通过家蚕基因组编辑,可以让蚕宝宝不再仅仅吐蚕丝,而是按照实际需要吐出其 他蛋白,应用于生物工程中
接下来，将事先设计好、与 Fib-H 基因类 似的人工丝蛋白基因，在显微镜下注射到被敲 除 Fib-H 基因的蚕卵体内，对蚕卵的基因进行 改造。被注入人工合成蛋白后，蚕卵的部分基 因发生改变。基因编辑成功的蚕卵，当它们长 大后，吐出的丝中就含有人工合成丝蛋白。 技术应用 蚕丝纤维经过人工改造后，拥有优于天然蚕丝的特性，可代替天然蚕丝在服 饰、被芯等的制造中发挥作用；也可利用其中含量较高的丝胶蛋白，通过加入其 它小分子人工丝蛋白用于吸水性更佳的面膜的生产，满足女士的需求。随着医学 的发达，临床上对生物蛋白的需求越来越大，疫苗、激素、人工骨架等药物和生 物材料都离不开生物蛋白。而家蚕、蜘蛛的丝腺具有惊人的合成和储存蛋白能力， 通过家蚕基因组编辑，可以让蚕宝宝不再仅仅吐蚕丝，而是按照实际需要吐出其 他蛋白，应用于生物工程中。 降低内源性家蚕丝蛋白的含量来提高外源蛋白表达量的策略 首先通过转基因干涉手段下调了 BmSer1 基因的表达并利用红色荧光蛋白 DsRed 作为标记蛋白证实了 BmSer1 的下调能够提高外源蛋白在中部丝腺的表 达量。在此基础上我们进一步提出了对丝蛋白主要编码基因进行敲除，创造能在 高量表达外源蛋白的同时消除丝蛋白对外源蛋白纯化影响的空丝腺，构建超级生 物反应器的设想。为此，我们建立了高效、稳定、简单易行的基于 ZFN、TALEN 和 CRISPR/Cas9 的家蚕基因组编辑技术体系，并利用该体系对丝蛋白的最主要 成分 BmFib-H 蛋白的编码基因进行了敲除，获得了分别具有显性和隐性遗传特 性的两类突变品系。然后，利用 EGFP 融合蛋白和自主设计的人工蚕丝蛋白为模 式，证实了 BmFib-H 基因的隐性突变品系可以作为重组蛋白和生物材料的理想 “不仅是吐绿色荧光的丝，理论上说，任何丝都可以吐出来。” 西南大学家蚕基因组生物 学国家重点实验室博士马三垣说，这是世界上人工设计的蛋白纤维在活体生物中首次合 成，有着极其重要的应用价值。“更为重要的是，这项技术为大规模获取生物蛋白提供可 能
目前,一些实验室正进行高功能蚕丝新素材的分子设计,进一步用基因工程技术生产仿 蚕丝材料,再经过加工步骤,制成纤维、膜、粉末、液体、凝胶等各种形态的材料。例 如,在实现纤维化方面,他们已经利用电子纺丝技术制成仿蚕丝纳米纤维和无纺布。现 在,通过分子设计和基因工程手段已经可以控制一级结构,但是高级结构的控制还没有 杷握。为此,彻底搞清楚蚕丝纤维不均一结构和蚕丝在吐丝口受到的复杂的外力作用, 以及它们同蚕丝纤维优良物理性能之间的关系,并在此基础上设计新的纤维化加工技术 与高级结构的控制有关)是极其重要的。另外,为了高效、低成本地大量生产新的仿 蚕丝材料,除利用大肠杆菌以外,还有必要建立利用动物、植物以及转基因蚕来生产新 仿蚕丝材料的技术体系。德国和加拿大的公司先后发表用烟草叶片、马铃薯和山羊乳腺 表达产生蜘蛛牵引丝。包括朝倉哲郎研究室在内,一些实验室也正在尝试利用具有惊人 的制造蛋白质能力和巧妙的纤维化技术的蚕宝宝,来生产新的高功能仿蚕丝(蛛丝)纤 维(材料),笔者认为,这可能是最重要的发展方向 技术优缺点 通过对蚕丝纤维的人为改良和重新设计,以后桑蚕丝也许会像棉质衣服一样, 既保持桑蚕丝的舒适感,又像棉衣一样耐穿、好打理。 此外,爱美女士们离不开的面膜,以后用起来吸水也可能更好。经过基因重 组的家蚕吐的蚕丝主要含有丝胶蛋白,是上佳的美容材料,通过加入其他小分子 的人工丝蛋白,面膜吸水性加强,更有利于皮肤吸收营养。 当然更重要的是运用该技术合成其他更多不同种类的人工蛋白,并将其用于 医学和生物工程研究工作的方方面面 但人工合成蚕丝的产量不高,一只蚕一生大约可吐出0.5克丝蛋白,而基因 重组的蚕宝宝,吐出的丝蛋白只有0.15克,虽然人工蛋白占了其中的一半。此 外,人工合成蚕丝在服装消费者中认可度不如天然蚕丝,在服装制造领域的应用 或许不如其他领域广
技术优缺点 通过对蚕丝纤维的人为改良和重新设计，以后桑蚕丝也许会像棉质衣服一样， 既保持桑蚕丝的舒适感，又像棉衣一样耐穿、好打理。 此外，爱美女士们离不开的面膜，以后用起来吸水也可能更好。经过基因重 组的家蚕吐的蚕丝主要含有丝胶蛋白，是上佳的美容材料，通过加入其他小分子 的人工丝蛋白，面膜吸水性加强，更有利于皮肤吸收营养。 当然更重要的是运用该技术合成其他更多不同种类的人工蛋白，并将其用于 医学和生物工程研究工作的方方面面。 但人工合成蚕丝的产量不高，一只蚕一生大约可吐出 0.5 克丝蛋白，而基因 重组的蚕宝宝，吐出的丝蛋白只有 0.15 克，虽然人工蛋白占了其中的一半。此 外，人工合成蚕丝在服装消费者中认可度不如天然蚕丝，在服装制造领域的应用 或许不如其他领域广。 目前，一些实验室正进行高功能蚕丝新素材的分子设计，进一步用基因工程技术生产仿 蚕丝材料，再经过加工步骤，制成纤维、膜、粉末、液体、凝胶等各种形态的材料。例 如，在实现纤维化方面，他们已经利用电子纺丝技术制成仿蚕丝纳米纤维和无纺布。现 在，通过分子设计和基因工程手段已经可以控制一级结构，但是高级结构的控制还没有 把握。为此，彻底搞清楚蚕丝纤维不均一结构和蚕丝在吐丝口受到的复杂的外力作用， 以及它们同蚕丝纤维优良物理性能之间的关系，并在此基础上设计新的纤维化加工技术 （与高级结构的控制有关）是极其重要的。另外，为了高效、低成本地大量生产新的仿 蚕丝材料，除利用大肠杆菌以外，还有必要建立利用动物、植物以及转基因蚕来生产新 仿蚕丝材料的技术体系。德国和加拿大的公司先后发表用烟草叶片、马铃薯和山羊乳腺 表达产生蜘蛛牵引丝。包括朝倉哲郎研究室在内，一些实验室也正在尝试利用具有惊人 的制造蛋白质能力和巧妙的纤维化技术的蚕宝宝，来生产新的高功能仿蚕丝（蛛丝）纤 维（材料），笔者认为，这可能是最重要的发展方向