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(duì)生物醫(yī)學(xué)研究人員來(lái)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(lái)源仍然是其廣泛使用的障礙。

蛛形綱動(dòng)物強(qiáng)烈的領(lǐng)土意識(shí)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(lái)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(shí)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(dòng)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(cuò)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(duì)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(huì)自然形成納米級(jí)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(jí)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(shì)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(gè)問題的過程中，他們發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的一個(gè)叫做c端結(jié)構(gòu)域的部分，這個(gè)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(gè)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?！?/p>

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(gè)有價(jià)值的概念證明，并且可以實(shí)現(xiàn)更多的優(yōu)勢(shì)。

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(huì)非常有趣。”目前，這些細(xì)胞仍然需要研究人員提供的營(yíng)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(lái)源來(lái)生產(chǎn)蠶絲。