纺织基因技术——以蜘蛛丝为例 朱以健16301050240 技术原理 快速发展的生物技术,像30多年以前的计算机技 术一样,对人类生活产生着重大影响。从远古时期的棉 麻、蚕丝到现代的大豆蛋白纤维、抗菌纤维、蜘蛛丝纤 维,新型纺织材料。如今,主要通过应用高科技生物技 术,如利用基因遗传技术将人体动脉中的角蛋白、蜘蛛 丝蛋白等外源基因导入纤维生产的过程等等,从而提升 纺织材料的应用性和附加值 基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项新技 术。利用该技术,可以精确地定位到基因组的某一位点上,在这位点上剪断靶标DNA片段 并插入新的基因片段。此过程既模拟了基因的自然突变,又修改并编辑了原有的基因组,真 正达成了“编辑基因”。 现代基因组编辑技术的基本原理是相同的,即借助特异性DNA双链断裂激活细胞天然 的修复机制,包括非同源末端连接和同源重组修复两条途径。非同源末端连接是一种低保真 度的修复过程,断裂的DNA修复在重连的过程中会发生 碱基随机的插入或丢失,造成移码突变使基因失活,实 现目的基因敲除。如果一个外源性供体基因序列存在 NHE」(非同源末端连接)机制会将其连入双链断裂DSB 位点,从而实现定点的基因敲入 同源重组修复是一种相对高保真度的修复过程,在 个带有同源臂的重组供体存在的情况下,供体中的外 源目的基因会通过同源重组过程完整的整合到靶位点, 不会出现随机的碱基插入或丢失。如果在一个基因两侧同时产生DBS,在一个同源供体存在 的情况下,可以进行原基因的替换 而纺织的基因技术建立在基因工程之上。基因工程是在基因水平上操作并改变生物遗传 的技术,它的核心是重组DNA技术,它包括:体外DNA重组、体内基因操作、基因化学合成 等。基因工程主要用酶做工具,切割DNA,将DNA片段连接到载体(质粒、病毒等),形成 遗传物质的新组合,然后再转移到寄主细胞中扩增和表达 二、技术应用——仿蜘蛛丝 蜘蛛丝不单单具有弹性,也具有相当强度,而且强度大于钢、具有拔水性。通过电子纤 维镜中的观察:蜘蛛所吐出的丝横截面积为圆形,一東丝内含几股丝绞合在一起以提供优异 的强度,另外糖分子还在丝的表面上保持湿润。许 多研究人员正在利用各种不同的方式将这神奇的物 质解码,而利用基因技术开发蜘蛛丝主要有以下4 种方法。 (1)将蜘蛛丝的产丝基因先转移到能在大容器 中生长的细菌上,再通过细菌的发酵得到蛛 丝蛋白,并进一步纺丝得到蛛丝纤维。美国 科学家将蜘蛛丝的基因解码后,移植到细菌
纺织基因技术——以蜘蛛丝为例 朱以健 16301050240 一、技术原理 快速发展的生物技术，像 30 多年以前的计算机技 术一样，对人类生活产生着重大影响。从远古时期的棉、 麻、蚕丝到现代的大豆蛋白纤维、抗菌纤维、蜘蛛丝纤 维，新型纺织材料。如今，主要通过应用高科技生物技 术，如利用基因遗传技术将人体动脉中的角蛋白、蜘蛛 丝蛋白等外源基因导入纤维生产的过程等等，从而提升 纺织材料的应用性和附加值。 基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项新技 术。利用该技术，可以精确地定位到基因组的某一位点上，在这位点上剪断靶标 DNA 片段 并插入新的基因片段。此过程既模拟了基因的自然突变，又修改并编辑了原有的基因组，真 正达成了“编辑基因”。 现代基因组编辑技术的基本原理是相同的，即借助特异性 DNA 双链断裂激活细胞天然 的修复机制，包括非同源末端连接和同源重组修复两条途径。非同源末端连接是一种低保真 度的修复过程，断裂的 DNA 修复在重连的过程中会发生 碱基随机的插入或丢失，造成移码突变使基因失活，实 现目的基因敲除。如果一个外源性供体基因序列存在， NHEJ（非同源末端连接）机制会将其连入双链断裂 DSB 位点，从而实现定点的基因敲入。 同源重组修复是一种相对高保真度的修复过程，在 一个带有同源臂的重组供体存在的情况下，供体中的外 源目的基因会通过同源重组过程完整的整合到靶位点， 不会出现随机的碱基插入或丢失。如果在一个基因两侧同时产生 DBS，在一个同源供体存在 的情况下，可以进行原基因的替换。 而纺织的基因技术建立在基因工程之上。基因工程是在基因水平上操作并改变生物遗传 的技术，它的核心是重组 DNA 技术，它包括：体外 DNA 重组、体内基因操作、基因化学合成 等。基因工程主要用酶做工具，切割 DNA，将 DNA 片段连接到载体（质粒、病毒等），形成 遗传物质的新组合，然后再转移到寄主细胞中扩增和表达。 二、技术应用——仿蜘蛛丝 蜘蛛丝不单单具有弹性，也具有相当强度，而且强度大于钢、具有拔水性。通过电子纤 维镜中的观察：蜘蛛所吐出的丝横截面积为圆形，一束丝内含几股丝绞合在一起以提供优异 的强度，另外糖分子还在丝的表面上保持湿润。许 多研究人员正在利用各种不同的方式将这神奇的物 质解码，而利用基因技术开发蜘蛛丝主要有以下 4 种方法。 （1） 将蜘蛛丝的产丝基因先转移到能在大容器 中生长的细菌上，再通过细菌的发酵得到蛛 丝蛋白，并进一步纺丝得到蛛丝纤维。美国 科学家将蜘蛛丝的基因解码后，移植到细菌
利用基因改质后的细菌生产丝蛋白。英美两国的技术公司也采用转基因细菌的方法 进行蛛丝纤维的纺丝研究,这种方法得到的纤维比绵纶更强更硬。 (2)把蜘蛛丝的蛋白基因转移到山羊的乳腺细胞内,再将蛋白质单体从所选系统中分离 出来,并经纺织和拉伸得到蛛丝纤 维。加拿大的研究人员发现:山羊 乳液中含有的奶蛋白和蜘蛛的丝蛋 白的生成模式相同,于是他们将蜘 蛛丝蛋白的基因转移到山羊的乳腺 细胞中,再从山羊的乳液中提取出 类似于蜘蛛丝的可溶性蛋白,最后 成功研制出模仿蜘蛛吐丝的新技术, 开发出新一代动物纤维材料 3)通过使其他蛋白质植入蜘蛛丝的基因来得图:实验室中人造合成蜘蛛 到改性,从而生产出仿蜘蛛丝的新纤维,这 种方法多用于蚕。蚕与蜘蛛有相似之处,同为生物纺丝体。有许多科学家试图把蜘 蛛的基因转移到蚕的体内,使蜘蛛丝高强力高弹性的基因表现在蚕丝中,并利用基 因技术使蚕“吐”出类蜘蛛丝,故而使蚕丝的易变形、缺乏弹性、易褶皱等缺陷得 以解决,蚕丝的性能可以得到明显改进。 4)把蜘蛛丝的基因植入植物,培育出能够产生丝蛋白的转基因植物。德国科学家将从 蜘蛛体内提取出的控制产生丝蛋白的基因植入各种植物的基因组内(如土豆、烟草 等),成功培育出了能够产生丝蛋白的转基因植物。在培育的转基因植物的植株内, 产生的蛋白质丝蛋白的含量超过了2%,开辟了大量提取蜘蛛丝蛋白的新途径。美国 有报道称:可将蜘蛛丝基因移植到烟叶基因中,使得烟叶在生长时除了可以生产尼 古丁外还可以生产蜘蛛丝蛋白,再利用急速冷冻破碎、煮沸等方式制取含蜘蛛丝蛋 白的纺丝溶液。 三、技术优缺点 蜘蛛丝是由多种非常特殊的氨基酸所构成的蛋白质纤维,具质轻、抗Ⅳ与生物可分解, 又同时具有超强的韧性与抗断裂机能,它优异的物理性 能是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的。 蜘蛛丝的主要成分是蛋白质,与羊毛与蚕丝的构造相似 蚕丝也是由各种氨基酸所构成的蛋白质纤维,主要成分 是丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸和酪氨酸等四种氨基酸。而 丝质材料的主要成分是丙氨酸。但科学家发现:蜘蛛丝 也是由多种氨基酸组成的,这些氨基酸包括:谷氨酸盐、 丝氨酸、白氨酸、脯氨酸和酪氨酸等,大约有17种左右 在物理性能方面,蜘蛛丝的密度为1.34左右,和羊毛、 蚕丝等蛋白质纤维相近。除了外观闪亮有光泽,还具有 抗紫外线与耐热的特性。蚕丝在140℃便会产生黄化的 现象,而蜘蛛丝在200℃以下仍旧表现出优良的热稳定 性,直到超过300℃时才会出现黄变的情况。 蜘蛛丝制作的金缕衣 因为蜘蛛丝的构造几乎全部是蛋白质,故具有生物 分解和回收等优点,不会对环境造成污染,符合了可持 续发展的要求。在力学方面,科学家们对蜘蛛丝的圆周丝的初始模量、应力、应变进行了测
利用基因改质后的细菌生产丝蛋白。英美两国的技术公司也采用转基因细菌的方法 进行蛛丝纤维的纺丝研究，这种方法得到的纤维比绵纶更强更硬。 （2） 把蜘蛛丝的蛋白基因转移到山羊的乳腺细胞内，再将蛋白质单体从所选系统中分离 出来，并经纺织和拉伸得到蛛丝纤 维。加拿大的研究人员发现：山羊 乳液中含有的奶蛋白和蜘蛛的丝蛋 白的生成模式相同，于是他们将蜘 蛛丝蛋白的基因转移到山羊的乳腺 细胞中，再从山羊的乳液中提取出 类似于蜘蛛丝的可溶性蛋白，最后 成功研制出模仿蜘蛛吐丝的新技术， 开发出新一代动物纤维材料。 （3） 通过使其他蛋白质植入蜘蛛丝的基因来得 到改性，从而生产出仿蜘蛛丝的新纤维，这 种方法多用于蚕。蚕与蜘蛛有相似之处，同为生物纺丝体。有许多科学家试图把蜘 蛛的基因转移到蚕的体内，使蜘蛛丝高强力高弹性的基因表现在蚕丝中，并利用基 因技术使蚕“吐”出类蜘蛛丝，故而使蚕丝的易变形、缺乏弹性、易褶皱等缺陷得 以解决，蚕丝的性能可以得到明显改进。 （4） 把蜘蛛丝的基因植入植物，培育出能够产生丝蛋白的转基因植物。德国科学家将从 蜘蛛体内提取出的控制产生丝蛋白的基因植入各种植物的基因组内（如土豆、烟草 等），成功培育出了能够产生丝蛋白的转基因植物。在培育的转基因植物的植株内， 产生的蛋白质丝蛋白的含量超过了 2%，开辟了大量提取蜘蛛丝蛋白的新途径。美国 有报道称：可将蜘蛛丝基因移植到烟叶基因中，使得烟叶在生长时除了可以生产尼 古丁外还可以生产蜘蛛丝蛋白，再利用急速冷冻破碎、煮沸等方式制取含蜘蛛丝蛋 白的纺丝溶液。 三、技术优缺点 蜘蛛丝是由多种非常特殊的氨基酸所构成的蛋白质纤维，具质轻、抗 UV 与生物可分解， 又同时具有超强的韧性与抗断裂机能，它优异的物理性 能是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的。 蜘蛛丝的主要成分是蛋白质，与羊毛与蚕丝的构造相似。 蚕丝也是由各种氨基酸所构成的蛋白质纤维，主要成分 是丙氨酸、甘氨酸、丝氨酸和酪氨酸等四种氨基酸。而 丝质材料的主要成分是丙氨酸。但科学家发现：蜘蛛丝 也是由多种氨基酸组成的，这些氨基酸包括：谷氨酸盐、 丝氨酸、白氨酸、脯氨酸和酪氨酸等，大约有 17 种左右。 在物理性能方面，蜘蛛丝的密度为 1.34 左右，和羊毛、 蚕丝等蛋白质纤维相近。除了外观闪亮有光泽，还具有 抗紫外线与耐热的特性。蚕丝在 140℃便会产生黄化的 现象，而蜘蛛丝在 200℃以下仍旧表现出优良的热稳定 性，直到超过 300℃时才会出现黄变的情况。 因为蜘蛛丝的构造几乎全部是蛋白质，故具有生物 分解和回收等优点，不会对环境造成污染，符合了可持 续发展的要求。在力学方面，科学家们对蜘蛛丝的圆周丝的初始模量、应力、应变进行了测 图：实验室中人造合成蜘蛛丝 图：蜘蛛丝制作的金缕衣
试:蜘蛛网圆周丝的初始模量明显高于 Ny lon6,比高强力的芳香族聚酰胺纤维低,但圆周 丝在蜘蛛丝中不是强度最好的一种。但值得一提的是,高强力的芳香族聚酰胺纤维的断裂伸 长只有2.53%,蜘蛛丝则是36~50%,故而具吸收庞大能量的特性。蜘蛛丝在耐热性之外 同时还有非常优异的耐低温性能。据测试,蜘蛛丝在摄氏零下40度时仍具有弹性,只有在 更低的温度下才会变硬,所以有需在低温的场合使用的情况时,此类纤维同样当仁不让。 同时,因纺织基因技术建立在基因工程之上,也具有一定的不足。比如其操作过程较为 复杂,难度较大。但同时其又是分子生物学的生长点,具有良好的发展前途,能激发更多生 物技术的创新与革命
试：蜘蛛网圆周丝的初始模量明显高于 Nylon6，比高强力的芳香族聚酰胺纤维低，但圆周 丝在蜘蛛丝中不是强度最好的一种。但值得一提的是，高强力的芳香族聚酰胺纤维的断裂伸 长只有 2.5~3%，蜘蛛丝则是 36~50%，故而具吸收庞大能量的特性。蜘蛛丝在耐热性之外， 同时还有非常优异的耐低温性能。据测试，蜘蛛丝在摄氏零下 40 度时仍具有弹性，只有在 更低的温度下才会变硬，所以有需在低温的场合使用的情况时，此类纤维同样当仁不让。 同时，因纺织基因技术建立在基因工程之上，也具有一定的不足。比如其操作过程较为 复杂，难度较大。但同时其又是分子生物学的生长点，具有良好的发展前途，能激发更多生 物技术的创新与革命