桑蚕丝是自然界中集轻、柔、细于一体的天然蛋白纤维，素有“人体第二肌肤”、“纤维皇后”之美誉。中国是世界蚕桑业的起源地，蚕丝的利用最早可追溯到距今约8500年前的贾湖遗址。举世闻名的丝绸之路开启了人类历史上第一次东西方文明大规模的交流和融合。我国是世界上最主要的蚕丝生产国，无论规模还是产量均位居世界前列。丝绸业曾经为新中国的建设和发展建立了不朽的功勋，在助力乡村振兴、实现共同富裕和引领民族复兴方面具有无法取代的地位。

蚕丝是家蚕以水溶性的丝蛋白为原料，在常温常压下生产的具有优异力学性能的蛋白纤维。蚕丝是蚕业科学研究的核心。一个多世纪以来，国内外无数的研究者致力于解析家蚕和蜘蛛等泌丝动物的纺丝机制，希望通过仿生合成出可与天然蚕丝相媲美、甚至超越其性能的人造纤维，应用于纺织、生物医药、军工等领域。目前，科学家提出了“液晶”（Vollrath, et al., Nature, 2001）和“胶束”（Jin, et al., Nature, 2003）两种主要的纺丝模型，前者认为纺丝液是由球状丝素蛋白聚集形成的类棒状结构组成的液晶；而后者认为纺丝液是由两亲性的丝素蛋白聚集而形成的胶束。由于缺乏家蚕丝腺腔中天然丝素蛋白（Natural silk fibroin, NSF）的精细结构，这两种模型目前仍然面临较大的争议。家蚕如何纺制出性能优异的蚕丝，即家蚕的纺丝机制问题，成为了蚕业科学百余年来最受关注的科学问题之一。破译家蚕的纺丝机制，可以为我们学习家蚕先进的纺丝策略，从而仿生创制高性能人造纤维提供重要的理论指导。

在家蚕丝腺腔中，NSF在15-30% (w/v)的浓度下仍然保持结构稳定而不发生聚集沉淀，然而，一旦脱离体内环境，NSF很快会聚集形成沉淀。因此，绝大多数的研究都使用再生丝素蛋白而不是NSF。稳定NSF的结构，是破译家蚕纺丝机制所要面对的首要挑战。

2023年12月29日，西部(重庆)科学城长江上游种质创制大科学中心、西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心夏庆友/何华伟教授团队联合中国科学院生物物理研究所朱平研究员团队历经8年攻关，在Science Bulletin在线发表题为“Decoding silkworm spinning programmed by pH and metal ions”的研究论文。研究人员历时4年，解剖了超过20000头家蚕，筛查了1000余种化合物和5000多种化合物组合，发现只有amphipol和digitonin可以在溶液中保持NSF的结构长期稳定。在此基础上，他们对家蚕丝腺腔中NSF的形态、结构和组装进行了系统的研究，发现金属离子可逆地诱导NSF形成了沉降系数为5.8 S，直径约4 nm的柔性纳米纤维，而不是先前纺丝模型中提出的胶束或者聚集体结构。NSF纳米纤维以无规则卷曲结构为主。从家蚕后部丝腺（posterior of silk gland, PSG）到前部丝腺（Anterior of silk gland, ASG），pH连续下降，导致NSF疏水性增加，诱导水分子与NSF分离，NSF从溶液转变成凝胶状，提高了NSF纺丝液的浓度从而促进了蚕丝纤维的形成。为更好地研究NSF的自组装，研究者从石墨烯的发现中获得灵感，建立了利用金属投影原位分析NSF组装的方法（图1）。

图1. 金属投影法原位分析溶液/纺丝液中NSF自组装的示意图

研究发现，从PSG到ASG-1，NSF纳米纤维无序地排列，但在前部丝腺靠近吐丝器处（ASG-2），NSF纳米纤维平行于纺丝管腔排列，形成了高度有序排列的“鱼骨状”高级结构（图2），为家蚕纺丝做好了充分的准备。

图2. 家蚕巧妙地利用金属离子和pH梯度编程NSF自组装纺丝的机制示意图

综上，该研究不仅创建了蚕丝蛋白精细结构和自组装的新型研究系统和研究范式，而且揭示了家蚕巧妙地利用丝腺腔中金属离子和pH梯度编程NSF从柔性纳米纤维到“鱼骨状”结构的多尺度、可控自组装纺丝的机制，为昆虫纺丝机制研究和高性能人工纤维的仿生设计提供了新的见解和指导。

西部(重庆)科学城长江上游种质创制大科学中心、西南大学前沿交叉学科研究院生物学研究中心与中国科学院生物物理研究所/生物大分子国家重点实验室联合培养博士宋凯（现为朱平研究员课题组博士后）为本文第一作者，联合培养硕士李珍珍(现湖北文理学院附属襄阳市中心医院医学检验部)和朱平组实验技术员董文杰（现河南科技大学第一附属医院）分别做了大量的前期筛查和切片工作，何华伟教授、朱平研究员和夏庆友教授为本文的共同通讯作者，西南大学王叶菁副教授、赵萍教授、林英教授、华南农业大学曹阳教授，生物物理所蛋白质科学和质谱平台技术支持专家等为本文的研究作出了重要的贡献。这是夏庆友教授带领的蚕丝科学与技术团队继家蚕基因组框架图(Xia, et al., Science, 2004)和遗传变异图(Xia, et al., Science, 2009)等之后取得的又一个标志性研究成果，为家蚕的精准生物育种和人造纤维的仿生设计指明了发展的方向。本研究得到了国家重点研究与发展计划、国家自然科学基金重点/面上项目、农业农村部神农英才计划、中国科学院战略先导科技专项、重庆市自然科学基金、重庆市海外留学归国人员创新创业计划等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.050