蛛网蜘蛛用不同的丝蛋白包裹猎物，扩大了丝的应用范围

蜘蛛丝卓越的强度与其多种用途相匹配。最近发表在《BMC进化生物学》上的一项新研究揭示了蜘蛛丝蛋白基因的相似多样性。作者Nadia Ayoub告诉我们更多关于她的研究，以及它在人类应用中的潜力。

穿过树林中的蜘蛛网或是从屋角扫出丝绸，似乎是一件令人讨厌的麻烦事，但这些坚韧的蜘蛛网是工程上的壮举。大多数蜘蛛网、球体网的框架和几乎看不见的蜘蛛生命线都是由一种蜘蛛丝制成的，这种蜘蛛丝的抗拉强度可以与钢抗衡。这是主要的壶腹丝，以合成它的特殊的腹部腺体命名。就韧性或断裂所需的总能量而言，大壶腹丝优于钢和芳纶。因此，随着一些纺织品即将生产，它已成为人类应用的主要目标。

更值得注意的是，蜘蛛并不是只生产一种丝绸，不像蚕蛾毛虫，我们用它的茧来做丝绸。取而代之的是，像黑寡妇那样的蜘蛛网织工或蜘蛛网织工在许多形态不同的丝腺中至少织出七种丝。

这些丝绸的材料特性似乎都是根据它们的生态功能而定制的。例如，蜘蛛在卵上覆盖着管状的丝，这在园中蜘蛛比任何其他丝类都硬。因此，卵囊能够抵抗可能压碎卵子的压力。花园蜘蛛用来包裹猎物的腺泡状丝是其丝类中最坚硬的，能承受挣扎的昆虫的能量输出。

球状网织蜘蛛使用较小的截肢丝作为暂时的捕捉螺旋，虽然没有拖铲那么结实，但由于其较高的延展性，同样坚韧。另外，黑寡妇蜘蛛使用少量的截肢丝来包裹猎物，但这种蜘蛛的物质特性此前未知。我和我的同事们预测黑寡妇和其他蛛网织工的小壶腹丝绸在某种程度上会有不同于球网织工的材料特性，部分原因是它们的不同功能。我们进一步预测，编码微小壶腹丝蛋白的基因的DNA序列在蜘蛛网和蜘蛛网之间会有所不同。

大学生蜘蛛丝基因序列分析

每种蜘蛛丝主要由一种或多种独特的蛋白质组成，这些蛋白质统称为蜘蛛素(蜘蛛纤维蛋白)。蜘蛛蛋白和昆虫丝蛋白都具有长(典型的是>2000个氨基酸)和重复(短氨基酸序列可以重复10-100倍)的特性。因此，蜘蛛素很难完全测序。

我的同事和我一直在使用一种组合的方法来描述蜘蛛素。当我还是加州大学河滨分校Cheryl Hayashi实验室的博士后研究员时，本科生们就开始帮助我收集这些数据。当我在华盛顿大学和李大学获得终身教职时，我决定扩大本科生的参与范围。

在我的遗传学实验室里，每年有17-24名学生研究一种新的蜘蛛。在我们最近发表在BMC进化生物学上的关于小壶腹丝织物的研究中，编码基因序列的特征是由三个不同的队列组成。三个学生在暑假继续和我一起工作，最终成为我们出版物的前三位作者。

微小壶腹丝蛋白的变化与丝的性质变化有关

经过多年对蜘蛛丝基因的测序，我们发现了微小的壶腹丝蛋白的意想不到的多样性。不仅蜘蛛网织布者与蜘蛛网织布者的序列不同，蜘蛛网织布者之间也存在显著的差异。更令人惊讶的是，每个物种的基因组中都包含编码少量壶腹丝蛋白的多个基因，而且这些序列往往有惊人的差异。

例如，brown widow（在美国是入侵性的）有一个小的壶腹基因，它只编码815个氨基酸长的蛋白质，并且包含典型的小壶腹蛋白的“基序”：例如甘氨酸丙氨酸重复序列。另一个棕色寡妇基因编码一个小的壶腹蛋白，其大小是第一个（1791个氨基酸）的两倍多，第一个（1791个氨基酸）富含甘氨酸-脯氨酸-甘氨酸。脯氨酸容易使蛋白质扭结。因此，许多甘氨酸-脯氨酸-甘氨酸迭代形成弹簧状螺旋，这应该使蛋白质具有弹性。

假黑寡妇的小壶腹蛋白富含脯氨酸。它们的小壶腹丝相应地是黑色和棕色寡妇的小壶腹丝的两倍。总的来说，蛛网织布机的小壶腹丝更容易扩展，但不如球网织布机的丝强。

利用蛛网猎物包装蛋白进行人类应用

我们的测序方法导致少量的壶腹编码基因以一种有利于纯蛋白表达的格式被分离出来。因此，我们的工作有助于纺制具有定制性能的人造纤维。例如，含有脯氨酸的棕色寡妇小壶腹spidroin可用于制造可延伸纤维，使其融入人工肌腱或韧带。富含丙氨酸的黑寡妇蛋白越长，纤维就越硬。