壺腹?fàn)钪虢z是一種極其強(qiáng)韌且富有彈性的蛋白纖維，蜘蛛主要利用其包裹獵物并構(gòu)建卵囊內(nèi)層。盡管壺腹?fàn)罱z與卵殼絲的成絲機(jī)制已被廣泛研究，但壺腹?fàn)钪虢z蛋白AcSp1自組裝的分子機(jī)制仍不明確。

2025年10月8日，天津大學(xué)袁文肅和林志共同通訊在PNAS（IF=9.4）在線發(fā)表題為“Intrinsically disordered linkers and terminal domains codriveaciniformspidroinself-assembly through liquid–liquid phase separation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，AcSp1中天然無序的連接區(qū)通過溶液中的液-液相分離在驅(qū)動蛛絲蛋白組裝過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其N端結(jié)構(gòu)域（NTD）在生理pH范圍（5.0至7.0）內(nèi)呈現(xiàn)不依賴pH的二聚化，并隨濃度增加發(fā)生四聚化轉(zhuǎn)變。

AcSp1-NTD的四級結(jié)構(gòu)顯示出由疏水作用與靜電相互作用共同介導(dǎo)的層級組裝過程，該過程可顯著增強(qiáng)無鹽及含鹽溶液中的相分離現(xiàn)象。基于此機(jī)制啟示，作者開發(fā)出全水性紡絲技術(shù)，成功制備出具有優(yōu)異延展性與韌性的仿生壺腹?fàn)罾w維。本研究揭示了一種關(guān)鍵分子策略，不僅深化了對蛛絲蛋白多樣化組裝機(jī)制的理解，更為設(shè)計與制備高彈性、高韌性絲基生物材料奠定了理論基礎(chǔ)。

蜘蛛絲代表了一類卓越的半結(jié)晶生物材料，其力學(xué)性能通常超越眾多合成纖維。這類纖維生物材料通過稱為蜘蛛絲蛋白（spidroins）的特化蛋白質(zhì)經(jīng)復(fù)雜組裝而形成。蜘蛛絲共有六種不同類型及一種黏性絲膠，分別承擔(dān)從網(wǎng)構(gòu)建到獵物捕獲等特定功能。這些絲蛋白的力學(xué)性能顯著多樣，兼具優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、顯著延展性及卓越韌性，共同彰顯了蜘蛛絲作為一種天然材料的高度精密性。

基因組與轉(zhuǎn)錄組分析揭示了蜘蛛物種中存在豐富的絲蛋白基因庫。這些系統(tǒng)研究識別了與不同絲性能相關(guān)的絲蛋白組成及表達(dá)模式的種屬特異性變異。在拖絲蛋白中，已明確介導(dǎo)末端結(jié)構(gòu)域組裝的保守機(jī)制，而在管狀絲與葡萄狀絲蛋白中則觀察到不同的組裝過程。生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究亦闡明，蜘蛛絲通常由多種絲蛋白共同紡出，根據(jù)其在最終纖維性能中的相對豐度與結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)，可分為主要與次要絲組分。

主要絲組分的典型特征為包含多個重復(fù)結(jié)構(gòu)域（RP）或基序，兩端分別由非重復(fù)性末端結(jié)構(gòu)域——N端結(jié)構(gòu)域（NTD）與C端結(jié)構(gòu)域（CTD）——所 flank。其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步表現(xiàn)為存在長度不一的多重天然無序連接區(qū)（LK），這些連接區(qū)在蛋白質(zhì)柔性及絲組裝動態(tài)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。與主要絲組分保守的結(jié)構(gòu)相比，次要絲組分在分子結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出顯著變異性。此類異質(zhì)性具有高度種屬特異性，且在不同絲類型間差異明顯，反映了不同蜘蛛絲功能的多樣化需求。

重復(fù)域的結(jié)構(gòu)（圖片源自PNAS）

絲腺內(nèi)絲蛋白的精密協(xié)調(diào)存儲與加工過程堪稱智能設(shè)計的杰作。這些蛋白質(zhì)通過形成類膠束結(jié)構(gòu)及液-液相分離（LLPS）維持在亞穩(wěn)態(tài)。LLPS是一種由多價交互作用驅(qū)動、蛋白質(zhì)與其他生物分子從周圍溶液中分離形成無膜動態(tài)液滴狀凝聚體的過程。與淀粉樣纖維等不可逆組裝不同，LLPS凝聚體保持液體樣特性，并允許組分與環(huán)境因素快速交換。在這些濃縮液滴內(nèi)部及絲腺的限域環(huán)境下，絲蛋白可進(jìn)一步采取液晶狀組織，濃度超過30%（w/v）。這一層級化組織發(fā)生在精確控制的生理條件下，特別是中性pH環(huán)境并存在氯化鈉（NaCl）及其他離子的情況中。作為蛋白質(zhì)合并與纖維形成之間的關(guān)鍵中間階段，絲腺使蜘蛛能夠維持絲蛋白的即時供應(yīng)，其狀態(tài)既保持穩(wěn)定性，又具備在需要時快速發(fā)生可控組裝形成高性能纖維的能力。理解這些復(fù)雜相行為與結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變對于基礎(chǔ)研究及試圖在合成系統(tǒng)中復(fù)刻蜘蛛絲生產(chǎn)的生物技術(shù)應(yīng)用均具有重要意義。

對主要壺腹絲蛋白（MaSp）及其微型絲蛋白的結(jié)構(gòu)研究揭示了各結(jié)構(gòu)域與基序在絲形成中的不同功能。MaSp1-NTD在中性pH下主要保持單體狀態(tài)，并在較低pH（約5.0–6.0）下發(fā)生快速二聚化，該過程對防止過早聚集及實現(xiàn)絲腺內(nèi)絲蛋白快速自組裝至關(guān)重要。與之不同，MaSp-CTD在pH 7.0下為穩(wěn)定二聚體，并與無序區(qū)協(xié)同驅(qū)動磷酸鹽誘導(dǎo)的LLPS。對次要壺腹絲蛋白（MiSp）的研究亦表明MiSp可自組裝成液滴，凸顯了無序區(qū)與折疊RP結(jié)構(gòu)域均易發(fā)生聚集的特性及其在LLPS中的關(guān)鍵作用。

然而，盡管末端結(jié)構(gòu)域部分保守，六類蜘蛛絲的氨基酸（aa）序列仍表現(xiàn)出顯著變異性，提示不同絲蛋白可能具有獨(dú)特的纖維形成機(jī)制。來自棒絡(luò)新婦（N. an.）的管狀絲蛋白1（TuSp1）的自組裝與鏈排列可被次要卵囊絲組分TuSp2通過RP結(jié)構(gòu)域間的交互作用顯著促進(jìn)。來自N. an.的葡萄狀絲蛋白（AcSp）N端結(jié)構(gòu)域在鹽濃度由高至低降低的條件下展示出組裝成大分子寡聚體（而非形成二聚體）的能力。然而，絲蛋白存儲與絲形成過程中AcSp1組裝的結(jié)構(gòu)機(jī)制仍鮮為人知。

本文中，作者研究了來自黑寡婦蜘蛛（Latrodectus hesperus, L. he）葡萄狀絲蛋白的自組裝行為。作者發(fā)現(xiàn)，盡管AcSp1-RP結(jié)構(gòu)域在溶液中保持單體狀態(tài)，天然無序連接區(qū)在通過LLPS驅(qū)動葡萄狀絲蛋白組裝中起關(guān)鍵作用。與MaSp和MiSp的NTD不同，AcSp1-NTD在pH 5.0至7.0范圍內(nèi)表現(xiàn)出不依賴pH的二聚化，并能夠繼發(fā)地以濃度依賴性方式寡聚化為四聚體，從而增強(qiáng)絲蛋白的LLPS。最后，作者設(shè)計了一種全水性紡絲方法，用于生產(chǎn)具彈性與韌性的人工葡萄狀絲纖維。

https://doi.org/10.1073/pnas.2510216122