蜘蛛絲以其強(qiáng)度、柔韌性和與人體組織的相容性而聞名，對生物醫(yī)學(xué)研究人員來說是一種誘人的材料。然而，盡管這種珍貴的絲綢具有驚人的性能，但獲得可靠且成本效益高的來源仍然是其廣泛使用的障礙。

蛛形綱動物強(qiáng)烈的領(lǐng)土意識和同類相食的天性使得耕種成為不可能。雖然合成生物學(xué)已經(jīng)利用大腸桿菌或酵母細(xì)胞等細(xì)菌生產(chǎn)出了高質(zhì)量的蛛絲，但蜘蛛絲的生產(chǎn)仍然受到可擴(kuò)展性問題的困擾。

為了解決這一問題，來自日本的一組科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出可以生產(chǎn)蜘蛛絲的煙草植物細(xì)胞，但直到他們研究了一段當(dāng)時不知道功能的絲蛋白，他們才發(fā)現(xiàn)了一種提高絲蛋白生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量的方法。

蜘蛛容易，科學(xué)家難

在自然界中，蜘蛛毫不費(fèi)力地在專門的腺體中產(chǎn)生和加工蛛絲蛋白。這些器官提供了精確的化學(xué)環(huán)境，使動物能夠?qū)⒅┲刖幙棾啥嘤猛镜慕z。

事實(shí)證明，在實(shí)驗(yàn)室里用細(xì)菌或酵母產(chǎn)生的蛋白質(zhì)人工編織線是非常困難的。利用植物細(xì)胞制造蜘蛛被視為一種潛在的解決方案，因?yàn)橹参锛?xì)胞可以更可靠地產(chǎn)生更大的絲蛋白，而細(xì)菌和酵母在不引入蛋白質(zhì)序列錯誤的情況下很難做到這一點(diǎn)。

其中一種被稱為MaSp2的蛋白質(zhì)對蜘蛛絲的獨(dú)特特性至關(guān)重要，它更容易自我組裝，這意味著它會自然形成納米級纖維，然后可以人工紡在一起。然而，植物面臨的挑戰(zhàn)是產(chǎn)生足夠的蛋白質(zhì)，使其具有商業(yè)可行性。

把蜘蛛弄出牢房

日本京都大學(xué)的研究人員Keiji Numata和他的合作者一起開發(fā)了產(chǎn)生MaSp2的轉(zhuǎn)基因煙草植物細(xì)胞。在發(fā)表在《高級生物學(xué)》雜志上的論文中，作者描述了他們的新系統(tǒng)，他們認(rèn)為使用植物的優(yōu)勢之一是能夠定制細(xì)胞生產(chǎn)的位置。這進(jìn)一步使研究小組能夠設(shè)計(jì)出植物細(xì)胞分泌到細(xì)胞培養(yǎng)物中的絲蛋白。

進(jìn)入細(xì)胞外的蛋白質(zhì)使進(jìn)一步的處理更容易和更有效。然而，最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果好壞參半，因?yàn)橛杉?xì)胞產(chǎn)生的蜘蛛蜘蛛的產(chǎn)量令人印象深刻，但只有大約10%到15%的蜘蛛蜘蛛逃逸到培養(yǎng)物中。

在研究這個問題的過程中，他們發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的一個叫做c端結(jié)構(gòu)域的部分，這個部分的功能以前是未知的，它參與了蛋白質(zhì)的組裝和分泌。

作者寫道:“我們進(jìn)一步的研究揭示了一個有趣的事實(shí)，即MaSp2的c端結(jié)構(gòu)域不僅調(diào)節(jié)分子間相互作用以形成同型二聚體，而且還嚴(yán)格控制其在細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)質(zhì)量以及通過植物分泌途徑分泌重組MaSp2蛋白?！彼麄儧Q定試著去除這部分蛋白質(zhì)，然后再試一次實(shí)驗(yàn)。

減法改進(jìn)

現(xiàn)在表達(dá)縮短的MaSp2蛋白的植物細(xì)胞在培養(yǎng)液中分泌了更多的蛋白質(zhì)，每7天從每升0.9毫克增加到每升2.8毫克。

根據(jù)這篇論文，“這些發(fā)現(xiàn)表明，利用植物細(xì)胞在細(xì)胞外生產(chǎn)重組生物聚合物(如蜘蛛絲蛛絲)方面取得了重大進(jìn)展。”

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這是關(guān)于植物細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)有用性的一個有價值的概念證明，并且可以實(shí)現(xiàn)更多的優(yōu)勢。

努瑪塔說:“如果我們能用二氧化碳培養(yǎng)植物細(xì)胞，那么植物細(xì)胞的生產(chǎn)可能會非常有趣?！蹦壳?#xff0c;這些細(xì)胞仍然需要研究人員提供的營養(yǎng)，但研究小組希望有一天能夠利用二氧化碳作為唯一的能量來源來生產(chǎn)蠶絲。