蜘蛛人只能出現在電影漫畫?試著用化學製造「人造蜘蛛絲」

2021.12.17 09:29AM
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當蜘蛛人一張手,
咻!蜘蛛絲就這麼牢牢地黏在高樓上,
承受著蜘蛛人的體重,讓他在城市的上空盪來盪去。
現實中,蜘蛛絲也被許多科學家認為是最強韌的纖維,
甚至電影演的都有可能實現!
就和小編一起探究蜘蛛絲的奧妙吧!
 
 
Photo credit: Bill Toenjes via Flickr. CC BY NC ND 2.0

蜘蛛絲在許多科學家的眼中,是非常迷人且精細的天然材料,抗拉強度幾乎可與鋼媲美,卻又有橡膠般的彈性,甚至比防彈衣的合成纖維——克維拉(Kevlar)來得強韌。
 
其主要成分為絲蛋白(Fibroin) ,屬於蛋白質的一種。與生物體內其他常見的蛋白質相比,絲蛋白具有截然不同的氨基酸組成,且不斷重複相同的氨基酸序列(Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n,幾乎佔了整個絲蛋白的90%以上。其中「Gly」 甘胺酸(Glycine, C2H5NO2 可增強分子間的作用力,使分子相互緊密接合,纖維的強度也就越大,蜘蛛絲的韌性便是基於此。另外,氨基酸序列紊亂處也會互相糾纏,使蜘蛛絲具有良好的延展性。
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Photo credit: Wikimedia

當蜘蛛分泌出高濃度的絲蛋白溶液,會儲存在腹部的紡絲腺中,通過紡絲管擠出絲疣時,因壓力作用、水含量、酸鹼度和濃度等環境條件的改變,使絲蛋白分子迅速組裝且整齊、緊密地排列,結構變成不溶於水的疏水性固態絲蛋白,也就是所謂的「蜘蛛絲」。(註:疏水性是指分子會與水相互排斥的性質。)
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Photo credit: schuetz-mediendesign via pixabay CC0

​然而,正是此步驟讓科學家無法順利合成人造蜘蛛絲!
雖然科學家已經成功從蜘蛛身上取出製造絲蛋白的基因,並將取出的基因植入細菌中,加以培養、增值,成功製造出會分泌絲蛋白溶液的細菌,但只要濃度、壓力、酸鹼等等使絲蛋白形成強韌絲的條件缺一,液態絲蛋白就很難合成固態的蜘蛛絲。
 
直到2015年,生物化學家Anna Rising和Jan Johansson找到了一種方法來模仿蜘蛛吐絲的情景。首先,他們製作了一種絲蛋白溶液,濃度高達50%,非常接近蜘蛛腺體中的濃度。接著,他們將溶液放入末端變窄的細管中,開口對準裝有酸性溶液的燒杯,模擬絲蛋白通過紡絲管,受擠壓噴射而出的情景,並降低其pH值,使絲蛋白分子重新排列,緊密連接,形成固態的絲蛋白,也就是人造蜘蛛絲。
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Photo credit:Marlene Andersson
▲ 絲蛋白溶液遇到酸性溶液時,pH值下降並形成強韌的蜘蛛絲

​雖然他們合成的人造蜘蛛絲強度只有天然蜘蛛絲的三分之一左右,但這項實驗的成果為新材料研發開闢了新道路。
 
因蜘蛛絲同時兼具強度和彈性,若成功量產人造蜘蛛絲,在醫學上,可用作手術的縫合線;軍事上,可用於防護裝備;甚至是工業,也可用於製造堅固且輕便的交通工具部件,包括飛機和汽車。
 
或許,像蜘蛛人一樣在高樓大廈間盪來盪去,也不是夢!
 

By 覺得爆雷弟湯姆好可愛的 Ti  小編
 


延伸閱讀:
蜘蛛絲輸了!自然界最強物質:帽貝牙!
鋼鐵人也可以用的~ 比鋼還堅固的超級木材!
雷神索爾的剋星-避雷針
 
參考資料:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2658765/
https://www.sciencenewsforstudents.org/article/how-spin-synthetic-spider-silk
https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=57945

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