蜘蛛絲以其強度、柔韌性和與人體組織的相容性而聞名，對生物醫學研究人員來說是一種誘人的材料。然而，盡管這種珍貴的絲綢具有驚人的性能，但獲得可靠且成本效益高的來源仍然是其廣泛使用的障礙。

蛛形綱動物強烈的領土意識和同類相食的天性使得耕種成為不可能。雖然合成生物學已經利用大腸桿菌或酵母細胞等細菌生產出了高質量的蛛絲，但蜘蛛絲的生產仍然受到可擴展性問題的困擾。

為了解決這一問題，來自日本的一組科學家已經開發出可以生產蜘蛛絲的煙草植物細胞，但直到他們研究了一段當時不知道功能的絲蛋白，他們才發現了一種提高絲蛋白生產質量和產量的方法。

蜘蛛容易，科學家難

在自然界中，蜘蛛毫不費力地在專門的腺體中產生和加工蛛絲蛋白。這些器官提供了精確的化學環境，使動物能夠將蜘蛛編織成多用途的絲。

事實證明，在實驗室里用細菌或酵母產生的蛋白質人工編織線是非常困難的。利用植物細胞制造蜘蛛被視為一種潛在的解決方案，因為植物細胞可以更可靠地產生更大的絲蛋白，而細菌和酵母在不引入蛋白質序列錯誤的情況下很難做到這一點。

其中一種被稱為MaSp2的蛋白質對蜘蛛絲的獨特特性至關重要，它更容易自我組裝，這意味著它會自然形成納米級纖維，然后可以人工紡在一起。然而，植物面臨的挑戰是產生足夠的蛋白質，使其具有商業可行性。

把蜘蛛弄出牢房

日本京都大學的研究人員Keiji Numata和他的合作者一起開發了產生MaSp2的轉基因煙草植物細胞。在發表在《高級生物學》雜志上的論文中，作者描述了他們的新系統，他們認為使用植物的優勢之一是能夠定制細胞生產的位置。這進一步使研究小組能夠設計出植物細胞分泌到細胞培養物中的絲蛋白。

進入細胞外的蛋白質使進一步的處理更容易和更有效。然而，最初的實驗結果好壞參半，因為由細胞產生的蜘蛛蜘蛛的產量令人印象深刻，但只有大約10%到15%的蜘蛛蜘蛛逃逸到培養物中。

在研究這個問題的過程中，他們發現了蛋白質的一個叫做c端結構域的部分，這個部分的功能以前是未知的，它參與了蛋白質的組裝和分泌。

作者寫道:“我們進一步的研究揭示了一個有趣的事實，即MaSp2的c端結構域不僅調節分子間相互作用以形成同型二聚體，而且還嚴格控制其在細胞質中的蛋白質質量以及通過植物分泌途徑分泌重組MaSp2蛋白。”他們決定試著去除這部分蛋白質，然后再試一次實驗。

減法改進

現在表達縮短的MaSp2蛋白的植物細胞在培養液中分泌了更多的蛋白質，每7天從每升0.9毫克增加到每升2.8毫克。

根據這篇論文，“這些發現表明，利用植物細胞在細胞外生產重組生物聚合物(如蜘蛛絲蛛絲)方面取得了重大進展。”

該團隊認為，這是關于植物細胞培養系統有用性的一個有價值的概念證明，并且可以實現更多的優勢。

努瑪塔說:“如果我們能用二氧化碳培養植物細胞，那么植物細胞的生產可能會非常有趣。”目前，這些細胞仍然需要研究人員提供的營養，但研究小組希望有一天能夠利用二氧化碳作為唯一的能量來源來生產蠶絲。