中国科学家揭示蚕的自转机制

桑蚕丝是一种质地轻盈、柔软细腻的天然蛋白质纤维，被誉为“人体第二皮”和“纤维女王”。我国是世界蚕业的发祥地

丝绸最早的使用可以追溯到大约8500年前的贾湖遗址。举世闻名的丝绸之路开启了人类历史上第一次东西方文明的大规模交流与融合。中国是世界领先的丝绸生产国，无论是规模还是产量都处于世界领先地位

蚕丝是蚕种以水溶性蚕丝蛋白为原料，在室温常压下生产的具有优异力学性能的蛋白质纤维。丝绸是蚕桑科学研究的核心

一个多世纪以来，研究人员一直致力于解决蚕、蜘蛛等分泌丝动物的纺纱机制，希望通过仿生合成，为纺织、生物医学、军事等领域创造出性能与天然丝相当甚至优于天然丝的人造纤维

目前，科学家们已经提出了两种模型，“液晶”和“胶束”纺丝模型。前者认为纺丝原液是由球状丝素蛋白聚集体形成的棒状结构组成的液晶，而后者认为纺丝原液为由两亲性丝素蛋白聚集体形成的胶束

由于家蚕丝腺腔中缺乏天然丝素蛋白（NSF）的精细结构，这些模型仍然存在很大争议。100多年来，蚕如何纺出性能优良的丝绸，即蚕的纺纱机理，已成为蚕桑科学中最紧迫的科学问题之一

“在蚕的丝腺腔中，NSF通常在15%-30%（w/v）的浓度下保持稳定，没有聚集和沉淀，”领导这项研究的中国西部（重庆）科学城种质资源综合科学中心/生物科学研究中心的何华伟教授解释道

“然而，一旦纯化，NSF就会迅速聚集并形成沉淀物。因此，大多数研究都使用再生丝素蛋白（RSF）而不是NSF。如何在体外保持NSF的稳定，是破解桑蚕纺纱机制的主要挑战。”

在最近发表在《科学公报》上的研究中，他们发现，经过4年的解剖20000多只蚕幼虫，筛选1000多种化合物和5000多种化合物组合，只有两亲素和洋地黄素才能在体外长期保持NSF稳定。然后，该团队系统地研究了NSF在家蚕丝腺腔中的形态、结构和组装

值得注意的是，他们发现金属离子可逆地诱导NSF形成沉淀系数为5.8S、直径约为4nm的柔性纳米纤维，而不是以前的纺丝模型中提出的胶束或聚集体。NSF纳米纤维主要由无规线圈组成

从后丝腺（PSG）到前丝腺（ASG）的连续pH降低导致NSF疏水性逐渐增加，从而诱导水分子与NSF的分离，以及NSF纳米纤维的溶胶-凝胶化转变，这增加了NSF纺丝原液的浓度，从而促进了丝纤维的形成。受石墨烯发现的启发，他们建立了金属阴影测定法，以原位测定NSF纳米纤维的分子取向

他们的研究表明，从PSG到ASG-1，NSF纳米纤维以各向同性纳米纤维的形式随机分散在内腔中，并在喷丝头附近的ASG-2处自组装成高度有序的人字形图案，这些图案进一步堆积在一起，形成具有明显双折射的各向异性纺丝原液，可用于蚕纺

何教授说：“我们的研究结果在家蚕纺纱过程中的丝腺中发现了两个具有里程碑意义的事件，即NSF纳米纤维的形成和NSF纳米丝自组装成由pH梯度和金属离子编程的高度有序的人字形结构。”

“NSF良好的分子预排列对丝纤维的韧性有很大贡献。与人工纺丝中纺丝后拉伸形成的排列不同，这种预先形成的高度有序的分子排列很好地解释了天然丝与人造丝相比具有更高的韧性。

”有组织的人字形结构可以在不牺牲强度的情况下有效地承受高伸长率，这意味着NSF纳米纤维自组装的人字形图案可能对丝纤维韧性至关重要。NSF纳米纤维在家蚕纺丝中的预排列代表了一种制备具有更高强度、韧性和刚度的超纤维的新策略。