蜘蛛絲"超能力"揭示更輕更強航空材料之路

它為制造性能媲美鋼鐵的纖維提供了可持續路徑，同時幫助人們洞察導致人類腦部疾病的蛋白質結構。

倫敦國王學院和加州圣地亞哥州立大學的研究人員近日破譯了蜘蛛絲強于鋼鐵、韌于凱夫拉纖維的"分子粘合劑"奧秘。理解這一分子機制對科技發展至關重要，它不僅為制造性能媲美鋼鐵的纖維提供了可持續路徑，更有助于解析導致人類腦部疾病的蛋白質結構。

這一發現有望催生新型仿生材料，應用于航空航天、防護裝備及醫療領域。2月5日，計算材料科學教授克里斯·洛倫茲表示："這項研究從原子層面揭示了無序蛋白質如何自組裝成高度有序的高性能結構。"

分子粘合機制

作為蜘蛛的生命線，拖絲通過其體內復雜的生物過程獲得驚人強度。絲腺中高濃度的液態蛋白質"絲液"先凝聚成液滴，再被擠出形成堅固的超強絲線。雖然科學家早已觀察到這種液固轉變現象，但將液滴轉化為高性能結構的分子橋梁始終成謎。

研究首次鑒定出精氨酸和酪氨酸這兩種氨基酸扮演分子膠的角色，賦予蜘蛛絲傳奇特性。跨學科團隊運用AlphaFold3建模軟件、分子模擬和核磁共振譜分析等技術，揭示精氨酸與酪氨酸的配對如同化學觸發器，能啟動蛋白質的初始聚集，最終形成固態纖維。這種氨基酸交互作用在纖維固化過程中持續活躍，構成了蜘蛛絲超凡機械性能的納米結構基礎。

阿爾茨海默癥新視角

有趣的是，蜘蛛織網的分子機制與人類神經遞質和激素受體中的精密信號傳導過程相似，這使蜘蛛絲"超能力"成為研究人體內異常生物過程的優化自然模型。

該研究共同負責人格雷戈里·霍蘭德教授表示："令人驚訝的是，看似簡單的天然纖維竟依賴于如此精妙的分子機制。我們在神經遞質受體和激素信號傳導中也發現了同類相互作用。"研究表明，絲蛋白的組織方式反映了阿爾茨海默癥等神經退行性疾病中蛋白質的行為模式。

在蜘蛛和人類體內，蛋白質都會從液態轉變為致密有序結構。蜘蛛借此造出世界最堅韌纖維，人類體內卻可能因此形成富含β-折疊的斑塊，破壞大腦功能。這意味著蜘蛛絲研究可為理解生物信號的分子運作機制提供新視角。

霍蘭德解釋道："研究絲蛋白這個進化優化的純凈系統，能幫助我們理解如何控制相分離和β-折疊的形成。"盡管外觀纖細，同等重量的蜘蛛絲強度勝過鋼鐵，韌性優于凱夫拉纖維，堪稱下一代纖維的終極模板。未來或可用于開發航空航天和高級防護裝備等領域的高性能可持續材料。

該研究成果已發表于《美國國家科學院院刊》。

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