吐蜘蛛丝的蚕宝宝


文/汤 波

 



在美国系列电影《蜘蛛侠》里,主人公彼得·帕克被一只经过基因改造的蜘蛛叮咬后,变得像蜘蛛附体一样,可以任意吐出强韧的蜘蛛丝,支撑自己在空中自由飞行。当我们从大银幕中回过神来,竟发现科学家还真培育出了能吐蜘蛛丝的“蜘蛛侠”——转基因家蚕。

蜘蛛丝有什么特殊用途
据报道,世界上有45 000多种蜘蛛,几乎所有的蜘蛛都能吐丝。不过,有的蜘蛛只能吐1种丝,像蜘蛛侠的“安全绳”一样,帮助蜘蛛自如地跳跃或在大敌来临时逃出生天;有的蜘蛛能吐出3种丝,可以编织成临时住所,用来保护虫卵或幼虫,但通常不会织网;还有约一半种类的蜘蛛能吐出6种丝和1种丝状胶,它们是动物界的织网“专家”,能编织精巧的蜘蛛网来捕获猎物——苍蝇、蚊子等害虫成为它们的瓮中之鳖。
在蜘蛛吐出的丝中,最受科学家青睐的非牵引丝莫属。蜘蛛牵引丝是由一些特定的氨基酸高度重复排列而成的蛋白质丝纤维,其特殊的氨基酸组成及蛋白空间结构赋予了它优异的韧性、弹性和抗张强度,被誉为自然界中机械性能最优异的蛋白质丝纤维。它的强度是相同直径钢丝的5倍,与目前广泛应用的防弹衣材料——凯夫拉纤维的强度相当,因此是制造防弹衣、防弹头盔的绝佳材料。蜘蛛牵引丝也具有良好的组织相容性、生物可降解性和较低的密度,在可降解的手术缝合线、人工关节、人工肌腱、人造韧带等医用材料的制作方面“大显身手”。
不过,天然蜘蛛丝只能由蜘蛛腹部的腺体合成并分泌,个体的吐丝量非常少,1只蜘蛛每天产丝不足1毫克。而且蜘蛛是食肉动物,难以驯化,很难通过人工饲养来获得足够的蜘蛛丝。

蚕宝宝如何吐出蜘蛛丝
既然人工饲养行不通,那么基因工程技术能帮上忙吗?近年来,基因工程细菌、酵母、植物、昆虫和哺乳动物等先后成为表达牵引丝蛋白的宿主。其中,利用大肠杆菌生产重组牵引丝蛋白已有近20年的研究历史。
但大肠杆菌仍未成为能大规模生产蜘蛛丝的“蜘蛛侠”。由于牵引丝蛋白具有高度重复的氨基酸序列,因而其分子量之大,相当于单克隆抗体的两倍。巨大的分子量为重组表达增加了难度,也使表达量徘徊在很低的水平。
科学家转而将目光投到同为吐丝“专家”的家蚕身上。家蚕具有7000多年的驯化历史,非常适合人工养殖。不仅如此,家蚕的蛋白质生产能力也很强——1只蚕每天可产0.5克纯蛋白,约占自身体重的25%。因此家蚕被认为是生产重组蜘蛛牵引丝蛋白等外源蛋白的理想工具。
最早让转基因家蚕吐出蜘蛛牵引丝蛋白的,是中国西南大学和日本信州大学的联合研究团队。2009年,他们通过一种转座子介导的转基因技术,获得了整合有蜘蛛牵引丝蛋白基因和红色荧光蛋白基因的转基因家蚕。这种转座子来自鳞翅目昆虫粉纹夜蛾,可以在昆虫或其他生物的基因组中跳跃、移动,也能将外源基因插入到宿主基因组中。相比普通蚕丝,含有重组牵引丝蛋白的蚕丝在弹性、抗张强度等机械性能上均有所提高,只是由于外源基因表达水平偏低,所以还不能与天然蜘蛛丝媲美。
2012年,美国怀俄明州立大学和中国浙江大学的研究人员报道了他们合作开发的一种表达家蚕和蜘蛛嵌合丝蛋白的转基因家蚕。该研究团队在中日研究小组采用的转基因技术的基础上,将家蚕和蜘蛛的丝蛋白基因进行重组,合成为嵌合基因,以提高丝纤维的机械性能。同时,利用蚕丝重链蛋白分子量最大和数量最多的特点,在重组基因结构中引入了蚕丝重链蛋白启动子和蚕丝重链蛋白基因的增强子元件,引导外源蛋白在丝腺高效特异表达。这种经改造的丝纤维具有更优良的机械性能。它的韧性超出天然蚕丝一倍以上,与天然蜘蛛牵引丝相当;最大应力和防断裂强度等机械性能虽然只相当于天然蜘蛛牵引丝的一半,但也比天然蚕丝超出一倍。
2014年,日本国家农业生物研究所的研究人员结合了中日研究团队和中美研究团队的技术路线。他们仍然采用转座子转基因技术,将蚕丝蛋白重链蛋白启动子和蜘蛛牵引丝蛋白基因进行重组,并对牵引丝蛋白基因序列进行了优化。由这种方法培育出的转基因家蚕,“吐出”了机械性能更优异的转基因蚕丝——尤其是韧性,比普通蚕丝提高了50%以上。备受瞩目的并不在此,而在于他们用这种含牵引丝蛋白的转基因蚕丝做成了女士背心和围巾,这是首次将转基因蜘蛛丝制作成看得见摸得着的产品。

转基因蜘蛛丝离应用还远吗
尽管转基因家蚕能有效表达重组牵引丝蛋白,但蜘蛛丝的规模化生产之路仍然道阻且长。
这其中的一大障碍是重组牵引丝蛋白的表达效率低下。美国怀俄明州立大学研制的转基因家蚕具有目前重组蜘蛛丝蛋白的最高表达水平,但它在蚕茧中的含量也仅有2%~5%。为此,中国西南大学的夏庆友教授团队提出了一个利用基因编辑技术在家蚕蚕丝中高效表达外源蛋白的新思路。由于蚕丝重链蛋白是蚕丝中分子量最大和数量最多的蛋白成分,如果减少该蛋白的表达,就可以为生产其他蛋白腾出空间。因此,研究人员利用ZFN(锌指核酸酶)技术,对家蚕的蚕丝蛋白重链基因进行了基因修饰,使其不能表达蚕丝重链蛋白。实验表明,这种提高外源基因表达水平的新思路非常有效。
转基因家蚕制备效率偏低也是制约其产业化的重要因素之一。针对这个问题,浙江大学钟伯雄教授团队首次成功建立了基于TALEN(转录激活样效应因子核酸酶)技术的高效家蚕转基因技术,将家蚕转基因效率从10%提高到70%,显著提高了蜘蛛复合丝的性能。
蜘蛛历经4亿多年的进化,才拥有了吐丝结网的本领。很显然,人类想用几十年时间,完全掌握蜘蛛这套“独门功夫”,并非易事。不过,随着基因工程技术的不断发展,种种难关必将被一一攻破。到那时,会吐蜘蛛丝的蚕宝宝也将成为像“蜘蛛侠”一样的大明星。

(本文作者汤波为分子生物学博士,高级畜牧师)

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