天津大學袁文肅/林志最新PNAS

壺腹狀蛛絲是一種極其強韌且富有彈性的蛋白纖維，蜘蛛主要利用其包裹獵物并構建卵囊內層。盡管壺腹狀絲與卵殼絲的成絲機制已被廣泛研究，但壺腹狀蛛絲蛋白AcSp1自組裝的分子機制仍不明確。

2025年10月8日，天津大學袁文肅和林志共同通訊在PNAS（IF=9.4）在線發表題為“Intrinsically disordered linkers and terminal domains codriveaciniformspidroinself-assembly through liquid–liquid phase separation”的研究論文。該研究發現，AcSp1中天然無序的連接區通過溶液中的液-液相分離在驅動蛛絲蛋白組裝過程中發揮關鍵作用。其N端結構域（NTD）在生理pH范圍（5.0至7.0）內呈現不依賴pH的二聚化，并隨濃度增加發生四聚化轉變。

AcSp1-NTD的四級結構顯示出由疏水作用與靜電相互作用共同介導的層級組裝過程，該過程可顯著增強無鹽及含鹽溶液中的相分離現象?；诖藱C制啟示，作者開發出全水性紡絲技術，成功制備出具有優異延展性與韌性的仿生壺腹狀纖維。本研究揭示了一種關鍵分子策略，不僅深化了對蛛絲蛋白多樣化組裝機制的理解，更為設計與制備高彈性、高韌性絲基生物材料奠定了理論基礎。

蜘蛛絲代表了一類卓越的半結晶生物材料，其力學性能通常超越眾多合成纖維。這類纖維生物材料通過稱為蜘蛛絲蛋白（spidroins）的特化蛋白質經復雜組裝而形成。蜘蛛絲共有六種不同類型及一種黏性絲膠，分別承擔從網構建到獵物捕獲等特定功能。這些絲蛋白的力學性能顯著多樣，兼具優異的拉伸強度、顯著延展性及卓越韌性，共同彰顯了蜘蛛絲作為一種天然材料的高度精密性。

基因組與轉錄組分析揭示了蜘蛛物種中存在豐富的絲蛋白基因庫。這些系統研究識別了與不同絲性能相關的絲蛋白組成及表達模式的種屬特異性變異。在拖絲蛋白中，已明確介導末端結構域組裝的保守機制，而在管狀絲與葡萄狀絲蛋白中則觀察到不同的組裝過程。生物化學與分子生物學研究亦闡明，蜘蛛絲通常由多種絲蛋白共同紡出，根據其在最終纖維性能中的相對豐度與結構貢獻，可分為主要與次要絲組分。

主要絲組分的典型特征為包含多個重復結構域（RP）或基序，兩端分別由非重復性末端結構域——N端結構域（NTD）與C端結構域（CTD）——所 flank。其整體結構進一步表現為存在長度不一的多重天然無序連接區（LK），這些連接區在蛋白質柔性及絲組裝動態過程中發揮關鍵作用。與主要絲組分保守的結構相比，次要絲組分在分子結構上表現出顯著變異性。此類異質性具有高度種屬特異性，且在不同絲類型間差異明顯，反映了不同蜘蛛絲功能的多樣化需求。

重復域的結構（圖片源自PNAS）

絲腺內絲蛋白的精密協調存儲與加工過程堪稱智能設計的杰作。這些蛋白質通過形成類膠束結構及液-液相分離（LLPS）維持在亞穩態。LLPS是一種由多價交互作用驅動、蛋白質與其他生物分子從周圍溶液中分離形成無膜動態液滴狀凝聚體的過程。與淀粉樣纖維等不可逆組裝不同，LLPS凝聚體保持液體樣特性，并允許組分與環境因素快速交換。在這些濃縮液滴內部及絲腺的限域環境下，絲蛋白可進一步采取液晶狀組織，濃度超過30%（w/v）。這一層級化組織發生在精確控制的生理條件下，特別是中性pH環境并存在氯化鈉（NaCl）及其他離子的情況中。作為蛋白質合并與纖維形成之間的關鍵中間階段，絲腺使蜘蛛能夠維持絲蛋白的即時供應，其狀態既保持穩定性，又具備在需要時快速發生可控組裝形成高性能纖維的能力。理解這些復雜相行為與結構轉變對于基礎研究及試圖在合成系統中復刻蜘蛛絲生產的生物技術應用均具有重要意義。

對主要壺腹絲蛋白（MaSp）及其微型絲蛋白的結構研究揭示了各結構域與基序在絲形成中的不同功能。MaSp1-NTD在中性pH下主要保持單體狀態，并在較低pH（約5.0–6.0）下發生快速二聚化，該過程對防止過早聚集及實現絲腺內絲蛋白快速自組裝至關重要。與之不同，MaSp-CTD在pH 7.0下為穩定二聚體，并與無序區協同驅動磷酸鹽誘導的LLPS。對次要壺腹絲蛋白（MiSp）的研究亦表明MiSp可自組裝成液滴，凸顯了無序區與折疊RP結構域均易發生聚集的特性及其在LLPS中的關鍵作用。

然而，盡管末端結構域部分保守，六類蜘蛛絲的氨基酸（aa）序列仍表現出顯著變異性，提示不同絲蛋白可能具有獨特的纖維形成機制。來自棒絡新婦（N. an.）的管狀絲蛋白1（TuSp1）的自組裝與鏈排列可被次要卵囊絲組分TuSp2通過RP結構域間的交互作用顯著促進。來自N. an.的葡萄狀絲蛋白（AcSp）N端結構域在鹽濃度由高至低降低的條件下展示出組裝成大分子寡聚體（而非形成二聚體）的能力。然而，絲蛋白存儲與絲形成過程中AcSp1組裝的結構機制仍鮮為人知。

本文中，作者研究了來自黑寡婦蜘蛛（Latrodectus hesperus, L. he）葡萄狀絲蛋白的自組裝行為。作者發現，盡管AcSp1-RP結構域在溶液中保持單體狀態，天然無序連接區在通過LLPS驅動葡萄狀絲蛋白組裝中起關鍵作用。與MaSp和MiSp的NTD不同，AcSp1-NTD在pH 5.0至7.0范圍內表現出不依賴pH的二聚化，并能夠繼發地以濃度依賴性方式寡聚化為四聚體，從而增強絲蛋白的LLPS。最后，作者設計了一種全水性紡絲方法，用于生產具彈性與韌性的人工葡萄狀絲纖維。

https://doi.org/10.1073/pnas.2510216122