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蜘蛛丝是一种综合性能优越的天然生物材料,具有优异的机械强度和生物学特性。蛛丝纤维由特定的蛛丝蛋白形成,并表现出特定的机械性能,这些机械性能又与蛛丝蛋白的序列以及纺丝过程中各种因素密切相关。现阶段的纺丝手段力求模拟蜘蛛腺体内的成丝过程,但制得仿生蛛丝的各种性能仍逊色于天然丝纤维。了解蛛丝蛋白的分子组成,成丝机理以及二级结构和机械性能之间的关系对于制备仿生蛛丝有着非常重要的现实意义。圆网蜘蛛可分泌产生7种不同特定功能的蛛丝和胶状物质。其中鞭毛状腺丝(flagelliform silk,Flag)具有出色的延展性,拖丝(m ajor ampullate silk,MaSp1)具有最高的拉伸强度,葡萄状腺丝(aciniform silk,AcSp1)具有优良的韧性。为制备人们所需机械性能的丝纤维,研究人员尝试将不同类型的蛛丝蛋白相嵌合,但相关的研究报道仍然较少。本课题在实验室已获得蛛丝蛋白基因的基础上,将来源于大腹园蛛(Araneus ventricosus)鞭毛状腺丝的一个完整重复模块分别与自身以及来源于大腹园蛛拖丝的一个完整重复模块、来源于三带金蛛(Argiope trifasciata)葡萄状腺丝的一个完整重复模块相嵌合,重组质粒能够在大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)中高效表达。重组蛋白经镍柱纯化、SUMO蛋白酶消化及反镍柱纯化,最终得到不含外源标签的三种蛋白(Flag-Flag、Flag-MaSp1、Flag-AcSp1)纯度高达90%以上。圆二色谱(circular dichroism,CD)分析结果显示,嵌合蛛丝蛋白在室温、中性pH(7.0)溶液中,二级结构均主要以α-螺旋为主。Flag-AcSp1蛋白在pH由7.0逐渐降低至5.5的过程中,始终保持自身稳定的二级结构,Flag-Flag及Flag-MaSp1蛋白在低pH值下不稳定,容易发生聚集。纯化后的三种蛋白在中性pH生理溶液中,通过施加一定的剪切力,能够发生自组装形成丝状纤维。扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察结果显示,手工拉丝制得的丝纤维具有类似天然蛛丝纤维的表面形态,直径1~2μm。为使得嵌合蛛丝蛋白得到更好地应用,本课题对嵌合蛛丝蛋白的湿纺条件进行摸索,并获得令人较为满意的丝纤维。傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)分析结果显示,成丝后嵌合蛛丝蛋白各二级结构的百分含量差异不明显,α-螺旋占比较少~13%,β-折叠占比高达~40%,成丝过程与天然蛛丝蛋白类似,二级结构由α-螺旋向β-折叠转变。本课题研究发现,Flag-Flag及Flag-MaSp1蛋白成丝过程较难控制且重复性较差,难以获得多个用于应力应变测试的样品。嵌合Flag-AcSp1丝纤维虽然没有具备Flag出色的延展性(15%),但保持了AcSp1良好的韧性(33.15 MJ/m~3),并表现出优异的抗拉伸强度(261.40 MPa),达到天然AcSp1丝纤维断裂强度(687±56 MPa)的1/3,天然Flag丝纤维(~500 MPa)的1/2。本课题为定制具有特定功能的嵌合蛛丝纤维提供研究方向和理论基础。