現今的合成纖維工業已相當進步,能製造出具有強大的韌性(抗彎曲力)的克維拉纖維,應用在防彈衣等軍事用品上;尼龍則有很好的延展性(抗拉力),常見於民生用品及醫療耗材。
然而,不論何種纖維往往只能具備單一特性,無法同時擁有高韌性和高延展性,這也是目前合成纖維技術遇到的困境。在眾多纖維裡,唯獨蜘蛛絲在這個限制之外,但學界對於如何誘導家蠶生產蜘蛛絲的知識還很有限,以致於合成工業一直在蜘蛛絲的量產上遭遇阻礙。
為了解決這個困境,該研究第一作者Junpeng Mi團隊分別解析了蠶絲蛋白和蛛絲蛋白形成的聚醯胺纖維(polyamide)的成分及結構差異,接著使用CRISPR/Cas9技術,成功培育出能夠紡織高韌性和高延展性蜘蛛絲纖維的基因改造家蠶。
由基改家蠶紡出的蜘蛛絲纖維,其韌性相當於克維拉纖維的6倍(319 MJ/m3
);在延展性方面,這些蜘蛛絲纖維能產生12.99億帕(1299MPa)的張力,超越包含尼龍在內的大多數合成纖維。
這項成果也證實了Mi團隊在解析兩種絲蛋白後所提出的理論,並以CRISPR/Cas9技術創造出能夠生產高韌性和高延展性蜘蛛絲的家蠶。Mi團隊的創舉消除了科學、技術、和工程方面的障礙,或許在不久的將來,合成的蜘蛛絲纖維已能在工業上量產,作為對環境更友善的聚合纖維替代品。
此外,合成蜘蛛絲纖維也有望應用於航太領域,將其製成堅固、且能抵抗重力,並延伸到地球外的纜線,作為太空電梯所需的超級材料之一。
參考資料: https://www.genengnews.com/topics/genome-editing/crispr-silkworms-make-spider-silk-that-defies-scientific-constraints/
(編譯/熊佳駒)