发现了戏剧性改善人造蜘蛛丝物性的新物质— 期待新素材的开发—

发现了戏剧性改善人造蜘蛛丝物性的新物质— 期待新素材的开发—

庆应义塾大学尖端生命科学研究所(山形县鹤冈市)的河野畅明特任讲师和荒川和晴副教授的研究小组，与理化学研究所环境资源科学研究中心(埼玉县和光市)、京都大学(京都府京都市)、Spiber株式会社(山形县鹤冈市)共同决定了棒络新妇亚科4种基因组的基础上进行了多组学分析(※1 )，明确了研究对象蜘蛛丝是比以往想象的更复杂的复合材料。 另外，从新鉴定的蜘蛛丝中含有的蛋白质中，发现了配合人工蜘蛛丝材料可以使材料的物理特性提高两倍以上的蛋白质“SpiCE-NMa1”。 这个成果被认为将对促进今后的人工蛋白质素材开发做出巨大的贡献。该研究内容于2021年7月27日在美国科学院院报“国家自然科学协会( PNAS )”上在线发表。

1 .研究背景 近年来，将来自生物的生物材料人工利用为可再生且可生物分解的新材料的趋势，与可持续发展目标( SDGs )的目标7、9、12、14、15(※2 )等相关，有望为可持续发展的社会做出贡献，支撑第五次产业革命。 特别是，兼具超过钢的强度和可与尼龙匹敌的伸缩性的强韧蜘蛛丝的人工合成备受瞩目，国内外有几个初创企业开始了产业应用，但从现状来看，还没有完全再现天然的物性。 其理由是，蜘蛛丝结构形成中重要的纺丝过程在天然和产业生产工序上有很大不同，构成蜘蛛牵引丝(※3 )的MaSp1和MaSp2蛋白质中，工业上主要活用了一种等。 另一方面，本研究小组的前期研究表明，构成蜘蛛牵引丝的基因不仅有MaSp1和MaSp2两个，而且也越来越复杂(文献1 )，其多样的构成要素是如何对蜘蛛丝的物性产生作用，还有待查明。

2 .研究成果和意义 本研究中，将介绍蜘蛛中物性特别优越的牵引丝——以黄金蜘蛛科棒络新妇蜘蛛亚科中的四种:棒络新妇蜘蛛( Trichonephila clavata )、美国棒络新妇蜘蛛( Trichonephila clavipes )、斑络新妇蜘蛛（Nephila pilipes）、马达加斯加棒络新妇蜘蛛( trichonephila inauratamadagascariensis )为对象，首先决定了这些基因组。 虽然棒络新妇蜘蛛中有着可与人类基因组媲美的30亿字符左右的巨大基因组，而且由重复序列构成的其丝基因的确定极其困难，但根据纳米测序仪和短基因测序仪(※4 )组合的独自汇编法， 以该信息为基础，进行了蜘蛛腹部各丝腺的基因表达量分析，以及蜘蛛丝所含蛋白质的蛋白质组学分析(※1 )，明确了棒络新妇蜘蛛亚科共同保存的蜘蛛丝2相关蛋白质系统研究。 过去认为被称为牵引丝的蜘蛛为了支撑自重而使用的丝只使用了MaSp1和MaSp2这两种丝蛋白质，但本研究表明，新的丝蛋白质“MaSp3B”反而是作为主要的构成成分存在。 除了丝蛋白以外，还含有多种功能未知的蛋白质，其中，还发现了多种合成牵引丝的蜘蛛腹部大鞭状腺中基因表达极高的被命名为“spice ( 蜘蛛丝构成元素spider silk constituting element )”的蛋白质 。由此确认，坚韧的络新妇丝并不像设想的那样简单，而是包含未知蛋白质的十几种复合材料。 接着，研究小组挑战了复合地使用这些新元素进行人工蜘蛛丝合成。 首先，合成由占牵引丝大部分的MaSp1-3蛋白质组合而成的薄膜，将各自的结构变化进行了WAXS分析(※5 )。 蜘蛛丝主要由反向β片结构占据，认为通过该β片在纤维轴向取向并重叠来实现其强度，但实际上不依赖于MaSp的组合模式，含有MaSp3的薄膜也采取稳定的反向平行β片结构。 而且，MaSp蛋白质在成为纤维之前形成二聚体，此时n末端之间的分子间相互作用是必须的，但发现MaSp3也在n末端具有与MaSp1和2保存的序列。 由此可知，MaSp3与MaSp1和MaSp2协调形成了蜘蛛丝的结构。 另外，将从4种棒络新妇蜘蛛亚科全部蜘蛛丝中共同发现的SpiCE(SpiCE-NMa1)混合到MaSp中，合成以人造蜘蛛丝蛋白为原料的薄膜，令人惊讶的是，通过添加每重量1%SpiCE， 与只用MaSp蛋白质制作的时候相比，成功地将强度( Tensile strength )提高了2倍以上，将增长率( Elongation )提高了1.5倍以上(图2 )。 许多研究和企业迄今为止为了提高人造蜘蛛丝材料的物性，致力于改善蜘蛛丝蛋白质的种类、量、以及纺丝方法。 在这种情况下，本研究全面揭示了蜘蛛丝的构成蛋白质，包括只含有百分之几的因子，实验证明蜘蛛丝是由十几种蛋白质构成的复合材料，而且蜘蛛丝中含有的新蛋白质实际上有助于物性的提高。 该发现明确了人造蜘蛛丝高功能表达机制的一部分，率先向世界展示了能够提高蛋白质素材物性的创新策略。 本研究成果为进一步促进今后的人工蛋白质材料开发，以及可持续开发目标( SDGs )的“目标9 :为产业和技术创新奠定基础”和“目标12 :创造责任”做出了巨大的贡献。

3. 论文信息

标题：Multicomponent nature underlies the extraordinary mechanical properties of spider dragline silk

著者名：Nobuaki Kono, Hiroyuki Nakamura, Masaru Mori, Yuki Yoshida, Rintaro Ohtoshi, Ali D. Malay, Daniel A. Pedrazzoli Moran, Masaru Tomita, Keiji Numata, and Kazuharu Arakawa

刊登:美国科学院院报「Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America (PNAS)」

ＤＯＩ：10.1073/pnas.2107065118

图1 :用于组学分析的4种棒络新妇蜘蛛近亲及其含蜘蛛丝蛋白质

本研究的研究对象为:棒络新妇蜘蛛( Trichonephila clavata )、美国棒络新妇蜘蛛( Trichonephila clavipes )、马达加斯加棒络新妇蜘蛛( TrichonePhila inaurata madagascascaa ) 下面的电泳照片显示了用SDS-PAGE观察从棒络新妇蜘蛛( Trichonephila clavata )得到的蜘蛛丝中含有的蛋白质的结果。 在SDS-PAGE中，蛋白质根据其大小而分离。 发现不仅在以前被认为构成蜘蛛丝的含有MaSp1和MaSp2的250~300kDa的高分子区域，100 kDa以下的尺寸中也明确含有数种蛋白质。

图2:SpiCE-NMa1带来的物性变化

在蜘蛛丝蛋白质( MaSp2)中添加从蜘蛛丝中新发现的SpiCE-NMa1，合成以蜘蛛丝蛋白质为材料的薄膜，比较了各素材的物性的图。 在薄膜中仅混合1%以上的SpiCE-NMa1，强度( Tensilestrength )就上升了3倍，伸长率( Elongation )就上升了1.5倍。

用语解说 ※1多组学分析 组合基因组学(基因全部=以基因组为对象的分析)转录组学(表达的RNA全部=以转录组为对象的分析)蛋白质组学(表达的蛋白质全部=以蛋白质组为对象的分析) ※2可持续发展目标( SDGs ) 针对2015年9月联合国大会通过的以2030年为期限的全球课题的17个目标。 SDGs是Sustainable Development Goals (可持续发展目标)的简称。 目标7 :让大家拥有能源，保持清洁 目标9 :建立产业和技术革新的基础 目标12 :创造的责任、承担的责任 目标14 :保护海洋的丰富性 目标15 :也保护陆地的丰富性吧 ※3牵引丝蜘蛛悬挂和移动时使用的丝，韧性最优异。 蜘蛛除此之外还区分使用具有粘着性的丝和为了保护卵的硬丝等多种丝。 ※4纳米孔隙测序仪短导线测序仪 目前，作为分析DNA碱基序列的装置( =DNA测序仪)，主要擅长于高精度、大量读取100个碱基左右的短序列的短读测序仪，以及读取长度上有两种类型没有限制但精度不一定很高的长距离测序仪。 作为后者的代表，由于DNA通过微细筒状蛋白质的孔( =纳米孔)时的电流变化 有分析DNA的纳米孔径测序仪。 为了高精度地读取长排列，需要对这两种机器进行组合分析。 ※5 WAXS分析(广角x射线散射) 广角x射线散射分析。 根据x射线透过材料时亚纳米尺寸的结构产生散射的行为，分析物质的晶体结构和密度等的方法。

文献 1. Kono N, Nakamura H, Ohtoshi R, Pedrazzoli Moran DA, Shinohara A, Yoshida Y, Fujiwara M, Mori M, Tomita M, Arakawa K*, “Orb-weaving spider Araneus ventricosus genome elucidates the spidroin gene catalogue”, Sci. Rep. 9(1):8380, 2019.

<联系机构窗口> 庆应义塾大学尖端生命科学研究所涉外负责人Tel: 0235-29-0802 Fax: [phone] E-mail：office[at]ttck.keio.ac.jp京都大学总务部宣传科国际宣传室Tel：075-753-5729 Fax：[phone] E-mail：comms[at]mail2.adm.kyoto-u.ac.jp理化学研究所宣传室新闻负责人E-mail：ex-press[at]riken.jpSpiber株式会社宣传部分E-mail：contact[at]spiber.inc

※采访时，请事先告知以上内容。 ※本发行版发送到京都大学记者俱乐部、文部科学记者会、科学记者会、山形县政记者俱乐部、鹤冈市记者会等。 ※请将上述[at]替换为@。