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發表於 2005-10-25 02:59 PM
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Originally posted by mtvcmh at 2005-10-24 23:52:
6 @6 C% v& T; o唔怪得蜘蛛俠咁勁啦; k; p% D- {6 r' c; [: a
第日人類都做到蜘蛛絲
9 f) m, H5 N! j$ ` R咁重唔可以飛天
咁你要努力d讀書啦 ,因此文之下半部份我沒post出來(太長,怕大家悶.....)
8 i9 `( i, `9 P& v, I主要係講現今仍未能做出仿製的蜘蛛絲
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( o& Z. \( F M/ O* s六、仿造蜘蛛絲! a( V# W* ?8 _3 A
種種特性顯示，蜘蛛絲明顯地優於目前各種天然及人造纖維。雖然已知蜘蛛絲蛋白內至少含有22000以上之基因對，仿製困難，但最近幾年基因遺傳工程的蓬勃發展，讓仿製技術有了重大之突破。
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( J- D5 l3 b5 H9 |1. 含蜘蛛絲之蛋白蠶絲
0 A4 ~4 A3 }+ r4 b8 m8 E& @" c科學家們在思考如何製造蜘蛛絲時，最先想到的就是像養蠶般來養殖蜘蛛進而取絲。杜邦公司研究人員甚至提出「蜘蛛牧場」的藍圖，但結果卻不甚理想。因為蜘蛛不但生性獨居、具地域性、遇同類甚至會相互殘殺。再加上蜘蛛只吐出適用於自己結網的絲量，無法像蠶一樣大量的吐絲，所以也不利於收集再加工。種種因素讓科學家們放棄養殖，轉而將重點置於基因轉移上。目前，已有科學家能將蜘蛛蛋白基因轉移至蠶基因上，使其直接吐出接近蜘蛛絲特性的蠶絲。此種絲的抗斷裂的強度為一般蠶絲的10倍，尼龍的5倍，伸縮率高達35%，較尼龍絲來的好些。) W) {! C- q9 j/ F8 I* |# y
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另外，中國大陸中科院上海生物化學與細胞生物學研究所，正嘗試將在移植蜘蛛基因的同時，加入綠色螢光蛋白基因，讓看似平常的蠶繭，能在紫外燈照射下，發出螢螢綠光。
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0 v$ z) C; ?4 g8 E9 q2. 利用細菌合成蜘蛛絲蛋白
' N' y4 @! w, B& y9 G% l另一種直接生產蜘蛛絲的方法是利用細菌。此方面的研究起因於科學家們想利用細菌單純且易於大量繁殖之特性，來解決蜘蛛DNA難以追溯及製造的問題。雖然蜘蛛絲蛋白分子非常長，但卻不易注入其他有機體的基因密碼內，目前技術也僅能轉移某一小段基因至細菌上，再令其自我組織、生長。只可惜所製成之絲蛋白有著韌度不佳、基因易被重組的問題。) q! E& p& q/ k; ^: k4 i
$ v6 L0 v6 J' [+ g為了增加絲的韌性，目前，英國科學家已能將蜘蛛製造拉曳絲的基因注入某種特殊的細菌中，再藉由此種細菌生成絲蛋白，在大量收集後，以模仿絲囊吐絲的方法由注射器的空心針擠壓而得到蜘蛛絲。通常，被轉移蜘蛛絲基因之細菌多在發酵罐中進行培養，但是培養基內需添加大量甘氨酸和丙氨酸等蛋白質成分，成本非常的高昂。
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4 Z# f9 v: [; a1 ?5 ?- ?3. 蜘蛛絲蛋白轉動物基因
9 d @+ |% L. B/ y- v& |: e由於以細菌培養絲蛋白的方法，其不溶性的絲蛋白質會在細胞中黏成一團，就算是取出蛋白質加以純化，所得之纖維也非常容易斷裂。為解決此問題，美國、加拿大、丹麥、英國、德國、蘇聯及中國大陸科學家們開始在可分泌水溶性蛋白質的哺乳動物上動腦筋。最早成功的例子是天竺鼠與母牛。
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; }! T, u1 W) v3 ~, _3 R(1) 天竺鼠與母牛$ X% A- g5 J' @( ^' O/ P% o
1999年，加拿大Nexia Biotechnologies公司科學家Anthoula Lazaris和Costas Karatzas，與美國陸軍暨生化指揮中心(The U.S. Army Soldier and Biological Chemical Command，簡稱SBCCOM)合作開發基因轉移技術來合成蜘蛛絲絲。並於2002年初在科學(Science)雜誌上，發表其成功地將來自Nephila Clavipes蜘蛛基因，轉移至能分泌水溶性蛋白質的哺乳動物身上的成果。就論文看來，天竺鼠的部分是將曳引絲(Dragline Silk)基因轉移至腎細胞中，希望能利用天竺鼠腎細胞來生產大量基因重組蛋白。另一組實驗是將曳引絲基因轉置到擅長分泌蛋白質到細胞外的牛乳腺細胞上。
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在將這二種細胞分泌至細胞外的可溶性絲蛋白收集、提煉、純化後，能抽出一種名為MaSpI的絲蛋白質，再效法蜘蛛常溫紡絲。其過程是先在水中濃縮MaSpl蛋白質，再用針筒將MaSpl從針頭一端的小洞擠至含甲醇的溶液中，因其射出的過程能讓蛋白質溶液因環境而改變排列，所以能合成出連續的纖維。目前已知此纖維強度不及Kelvar，彈性也只與尼龍一般，不如天然蜘蛛絲伸縮自如，但質量較輕。不過由於只片面地使用某一種蜘蛛絲蛋白質來紡製纖維，其纖維在柔韌性上仍待克服。
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1 A: G7 O2 k- i+ r+ y# _" w(2) 山羊
% Y4 v& J- \) ~+ tNexia Biotechnologies，在2002年初開始進一步的研究將蜘蛛絲基因轉移到羊的乳腺細胞，期望能靠此步驟直接從羊乳中獲取絲蛋白質。此方法必須山羊胚胎形成初期，將蜘蛛基因注射細胞核內，成功率只有5%。目前該公司已成功地將一個蜘蛛絲基因轉移各至擁有的七萬個基因的兩隻公山羊身上(BioSteel Goats)。並進一步計劃，讓這兩隻公山羊與母山羊交配，期望他們所孕育的下一代能產出含有蜘蛛絲蛋白的山羊乳。雖然在基因轉移技術上，Nexia Biotechnologies已取得專利，並已預先將纖維命名為BioSteel(r)，但由於第二代山羊並未產乳，成功與否仍有待觀察。
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至於為何選擇山羊來作基因轉移，最大原因是乳山羊從出生到能生產羊乳的時間較短，適合實驗，並可分泌大量的水溶性複合蛋白質。另外，蜘蛛產生絲的腺體與山羊的乳腺類似，均是由上皮細胞構成，在理論上基因轉移可能較為容易，並利用羊乳取得蜘蛛絲蛋白。據報導，BioSteel(r)人造蜘蛛絲彈性相當的好，但是其強度只有天然蜘蛛絲的20-40%，粘性亦較低。) x5 R, y6 {9 x1 P7 D! b' }
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4. 蜘蛛絲蛋白轉植物基因7 \9 L. A' U P, T$ r! V; Y
雖然科學家們計劃以培育轉基因至細菌或山羊身上來生產絲蛋白，但在成本過高。技術及商業化困難的壓力下，尋求轉基因植物來生產絲蛋白也成了熱門之研究方向。一般估計製造轉基因植物的費用只要轉基因細菌加工費用的20%，甚至更低。
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2 D3 \+ I* E& B8 o9 @這方面的研究，最早論文發表於英國Nature Biotechnology科學期刊，撰文者為德國Institut fur Pflanzgenetik und Kulturpflanzenforschung公司的Udo Conrad科學家。他們成功的利用轉基因技術，將Nephila clavipes蜘蛛絲蛋白基因轉至馬鈴薯及煙草上。# O( y7 ]% c5 n, X$ L
* O9 w) H5 S- G0 }7 t- @至於為何選擇馬鈴薯及煙草，主要是因為利用大面積種植之植物，來獲取絲蛋白的成本較低。另外，馬鈴薯在基因轉移、蛋白質的抽出上都要來的容易些，因為與細菌相反，植物不但能製造自己的氨基酸，而且轉移之絲蛋白基因被重組的可能性也較小。實驗結果顯示，其所培育出馬鈴薯內產生的蛋白質絲蛋白含量占總蛋白質量中的2%左右。
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5. 化學合成蜘蛛絲
: I! v& H' T5 ?. J* A1 B1 m) Z目前也有科學家試圖以化學合成的方式，模仿蜘蛛絲的組成元素和結構，研究發展蜘蛛絲高分子。雖然完全以人工方式合成出蜘蛛絲，有其可能性，但就目前合成蜘蛛絲技術的不成熟、蜘蛛絲製程複雜度與成本考量，利用生物基因科技要來的切實際些。7 Y" C" ^, O' }- i. f
; W% M: e- I& f& k曾有國內某研究單位，宣稱能利用電場紡絲(利用導電性高分子之靜電式紡絲)，製得「再生蜘蛛絲」，並將其製程稱為「再生蜘蛛絲電場紡絲」。雖然此法所製得之纖維直徑可達60nm，媲美天然蜘蛛絲，但在強度、韌性上是否具有天然蜘蛛絲特質，足以稱為再生蜘蛛絲，有待商榷。
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七、蜘蛛絲的挑戰
6 ?& @' W, ]! n) }+ t雖然以生物科技來大量仿製蜘蛛絲，是重要的研究方向之一，但在技術上科學家們也正面臨一系列挑戰。尤其是在商業化方面，路途仍遙遠。
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! P3 w9 f: j2 k [) e: v■ 量產與生產成本
4 Y" y( W: C2 }" I5 }* @" Y雖然蜘蛛絲有著非常吸引人的應用途徑，但由於蜘蛛吐絲的量實在太少，加上蜘蛛非群居之個性，要如同蠶般同時大量飼養有其實際上之困難，所以目前蜘蛛絲仍無法大量生產。而各種仿製蜘蛛絲之方法，卻又有著成本過高之課題。就已轉基因山羊為例，一頭山羊每天約可產1.5公升之羊乳，但每公升又只能抽出0.5克之蛋白質，其成本可想而知。轉基因細菌則因其蜘蛛絲蛋白生成之過程需要大量之高價蛋白質培養液，無商業價值。, i! H b9 c u4 f& g5 R+ R$ @ O
- z2 l2 K% ^4 m: Y■ 基因遺傳工程的安全性
, }: g. A \# C; D目前，基因遺傳工程的安全性問題以食物原料與生物組織複製方面的討論較多，也較受重視。不可諱言應用於紡織領域之基因遺傳工程相關產品、技術，在危險性上要遠低於食物原料，但我們卻又不能保證科學家在進行基因轉移後，不會製造出怪山羊。所以，就算是在安全性極高的情況下對基因動手腳，真的也不得不注意其安全性，必竟我們就是因為不了解而不斷地進行實驗，來驗證可行性的。' ~* V) l; j" [. y( \6 p/ C
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■ 纖維強度尚待改善
) J3 h% w$ p" p8 n- Q2 S4 F7 r以基因轉碼方式所生產之蜘蛛絲，無論是將基因嵌入細菌、酵母或是動、植物細胞中，其所提煉出來的蜘蛛絲，一直有著纖維強度不足、過於脆弱的問題。Nexia Biotechnologies公司之實驗顯示在抽出蜘蛛絲蛋白後，雖然能成功製出外表、彈性與天然蜘蛛絲非常類似之纖維，但人工蜘蛛絲強度卻只有天然蜘蛛絲20%至40%。雖然如此，Udo Conrad卻認為與其求取纖維強度，不如將以細菌提煉出蜘蛛絲纖維應用於需生物可分解的生醫材料上。7 E, K- l! V5 q6 o+ q9 F% w' O
$ @& h" p @: q, K$ C% t- f* y& @■ 拉絲條件控制
2 X: i& S: ~, y4 Q9 u蜘蛛吐絲時是以類似液晶拉絲方法進行，完全不同於我們所熟知的化學纖維紡絲方式或液晶溶液紡絲紡。它不但能精確控制蛋白質，更能預先排列分子順序，而這完全不是現有化學纖維紡絲所能模仿的。
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■ 蜘蛛絲蛋白質結構與排序問題
4 n4 i/ v& ]. b! l, R目前，科學家已了解到蜘蛛絲蛋白質內部的胺基酸排列順序、構造，對於絲的組成與機能佔有舉足輕重之地位，但卻只掌握曳引絲20%左右的胺基酸排列順序，且只能模仿曳引絲化學成分組成中較簡單、具方向性且重複多次的部分排序。對於蜘蛛絲中較缺乏方向性的部分則礙於偵測技術，尚無法作深入的研究。另外，以Nexia Biotechnologies公司之實驗看來，因其只模仿出蜘蛛絲2種主要蛋白質中的一種，所以纖維無論在柔軟性及韌性都有待克服。
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■ 蛋白質的改質機制
- L: p- C; i7 g! M蜘蛛在吐絲時，所分泌的蛋白質通常會受到腺細胞的作用，進行某些化學改質作用。但目前科學家並不甚了解其整個機制。更由於細菌、動植物和蜘蛛改變蛋白質性質的方式並不完全相同，就算是儘量模仿蜘蛛之機制，但在仿製蜘蛛絲時仍會造成差異，無法完全模仿。尤其是某些合成絲蛋白質之過程中會使用到加熱方式，雖然能得到較易求得結果，但卻會因而改變了蛋白質的折疊方式。9 t0 K1 O! {$ f. w0 \, q. s
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■ 蜘蛛絲使用壽命問題
" ?8 s8 X$ e! E' p2 c) U& h6 ~蜘蛛絲對蜘蛛來說，只是獵捕食物的工具之一，在設計上並無結網後便要長期使用的打算。所以，一般蜘蛛絲在紫外線照射下會降解，使用壽命不長。而且蜘蛛在吐絲時，大氣中濕氣的多寡似乎也會影響蜘蛛網的品質與壽命。3 I# ^% p c5 Q
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八、結論
: V* O+ i2 C: V- L. C由蜘蛛吐絲過程、絲的結構與特性上，我們不難發現蜘蛛在經過4億年的演化後，其製絲無論在效率及準確度上都堪稱一流，低能源、複合、液晶凝膠、精密控制可稱其為紡絲之最高境界。因為它只需要配合適當的溫度、在穩定的大氣壓下，以少量的水為溶劑，便能產出完美的纖維。蜘蛛吐絲的過程中的某些化學、物理變化，造就了神奇的纖維材料。未成束之蜘蛛單絲可細至奈米級(10～20nm)，噴口徑約在80nm左右，要比化纖廠的紡嘴來得精密，只是在製絲速度上，蜘蛛顯的慢工出細活。1 V& D% v# D4 H
. X) m0 Q) Y4 g4 E5 [/ [; U. O5 \反觀合成之化學纖維，需在高溫下運用大量資源且製程長，不但運用有害之觸媒，更會產出有毒之副產物，更不用提化學纖維不分解對環境的影響。基本上，仿蜘蛛絲的研究，製程上的模仿與研究對人類的貢獻，可能高於人們對最終產品的特異功能的需求。 |
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發表於 2005-10-24 11:14 PM
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