蠶絲的顯微結構。受訪者供圖

兩根絲素蛋白在粘合后成為一根蠶絲。桑蠶絲是自然界中集輕、柔、細于一體的天然蛋白纖維，被稱為“纖維皇后”。

但家蠶是如何紡絲的，其細節機制一直是一個未解之謎，這也是蠶業科學近百余年來最受關注的科學問題之一。如果能破解這一謎題，人類就有可能借鑒、模仿甚至改進相關的紡絲策略，進行蠶絲的工業化生產，同時有可能創制出比蠶絲具有更高性能的人造纖維。

歷經8年攻關，近日，西部(重慶)科學城長江上游種質創制大科學中心、西南大學前沿交叉學科研究院生物學研究中心夏慶友/何華偉教授團隊聯合中國科學院生物物理研究所朱平研究員團隊，在國際學術期刊《科學通報》（Science Bulletin）在線發表論文，進一步解密了家蠶的紡絲機制——即天然絲素蛋白（Natural silk fibroin, NSF）如何從家蠶的后部絲腺，經前部絲腺，最終被家蠶從口中吐出，形成蠶絲纖維。

1月16日，何華偉教授告訴澎湃科技，由于NSF是纖維性蛋白，難以形成蛋白質晶體，導致常規的X射線晶體衍射技術無法應用于其結構解析。在家蠶絲腺腔中，NSF在15-30% (w/v)的濃度下仍然保持結構穩定，而不發生聚集沉淀。然而，一旦脫離體內環境，NSF很快會聚集形成沉淀。

他表示，此前的研究發現，家蠶的絲腺腔中存在鈉、鉀、鎂等金屬離子，且其酸堿度(pH)從后向前連續下降。在最新發表的研究中，科研人員歷時4年，篩查了1000余種化合物和5000多種化合物組合，最終發現，只有amphipol和digitonin可以在溶液中保持NSF的結構長期穩定。

在此基礎上，研究人員發現，金屬離子可逆地誘導NSF形成了沉降系數為5.8 S，直徑約4 nm的柔性納米纖維，而不是先前紡絲模型中提出的膠束或者蛋白聚集體結構。

家蠶巧妙地利用金屬離子和pH梯度編程NSF自組裝紡絲的機制示意圖。

從家蠶后部絲腺（PSG）到前部絲腺（ASG），酸堿度連續下降，導致NSF疏水性增加，與水分子逐步分離，提高了NSF紡絲液的濃度，NSF從溶液轉變成凝膠狀，從而促進了蠶絲纖維的形成。

研究人員從石墨烯的發現過程獲得靈感，建立了金屬投影原位分析法，對家蠶絲腺腔中NSF的性質、結構和形態進行了原位分析。他們發現，NSF納米纖維起初在絲腺腔中無序地排列，在前部絲腺靠近紡絲口處逐步發展成為高度有序排列的“魚骨狀”結構，為家蠶紡絲做好了充分的準備。

何華偉教授表示，金屬投影原位分析法是該研究成果的重要創新之一，可用于其他纖維性蛋白的研究。據了解，最新發表的家蠶紡絲機制研究成果是西南大學蠶絲科學與技術團隊繼家蠶基因組框架圖和遺傳變異圖等之后取得的又一個標志性研究成果，為家蠶的精準生物育種和人造纖維的仿生設計指明了發展的方向。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.050