通过探测其分子结构，生物学家正在揭示一团无结构蛋白是如何转变为强韧、灵活的纤维的。引言当一只蜘蛛从墙上掉落时，它不会长时间坠落。在毫秒内，它将一汤匙蛋白质纺织成结实的攀爬装备。利用一根细长、闪闪发光的丝线，蜘蛛将自己拉回上面。这根丝比凯夫拉（用于自行车轮胎和防弹背心的合成纤维）更坚韧，比钢更强。它灵活且与人类身体相容。科学家们梦想到将蜘蛛丝制成高性能材料，用于安全带、头盔、海军材料，甚至帮助修复脑细胞的支架。但由于研究人员对蜘蛛如何从其丝腺中喷出“丝胶”这一液态蛋白质、水和盐的混合物转变为显著的固体知之甚少，实验室制造蜘蛛丝的尝试一直未能成功。生物化学家和光谱学家格雷戈里·霍兰德（Gregory Holland）表示，绘制出这一过程背后的分子机制“真的就是这个领域的圣杯”。最近，他领导的研究描述了液态蜘蛛丝胶中的分子如何重组为称为凝聚体的半液滴，然后再转变为固体丝纤维。结果是对蜘蛛丝工厂的原子级观察。研究结果也是形成凝聚体的实用指南，自然界反复使用这些凝聚体来组织分子，用于遗传过程和创造令人印象深刻的强大生物材料。“显而易见的是，[凝聚体]是一种在各种不同生物中被广泛使用的常见策略，”未参与该研究的麦吉尔大学生物材料科学家马修·哈灵顿（Matthew Harrington）说。通过解开自然如何使用凝聚体，科学家们希望重新创造一些最坚韧的材料。丝工厂蜘蛛是令人惊叹的自然工厂。它们可以纺出多达七种类型的丝，而同一只蜘蛛通常可以纺出几种。腺丝包裹昆虫以备后用。橡胶状的鞭丝强化捕捉螺旋以吸收冲击。拖线丝将网和蜘蛛锚定在墙上。每种类型的丝根据其物种和分子组装的方式具有不同的特性。而同类型的丝根据物种也可以有略微不同的性质。1907年，科学家们发现蜘蛛丝是由长的模块化蛋白质构成的，后来被命名为丝蛋白，这些蛋白与胶原蛋白和角蛋白属于同一组纤维蛋白。半个多世纪后，X射线开始揭示纤维的基础结构。丝由称为β-折叠的平面蛋白质片段构成，这些片段嵌入在一种较无序的非晶体基质中。在2000年代初，当研究人员检查溶液中的丝蛋白时，并没有看到有组织的固定结构，如大多数蛋白质中所见。相反，丝蛋白呈现出固有无序的区域，四处飘动，形成和重组各种形状。研究人员随后开始解读这种无结构的蛋白质汤是如何组织成坚固、实心的纤维的。早期的一个理论提出，丝胶中的蛋白质开始彼此排列，像晶体一样，同时保持动态状态，称为“液晶”的过渡状态。另一个理论认为蜘蛛丝类似于蚕丝，蚕丝中的蛋白质组织成胶束或小球，然后压缩成丝纤维。然后，在2007年，研究人员注意到在实验室中工程化的丝蛋白形成了液态的团块。这些结构迅速成为现代生物学中无法忽视的部分。2009年，马萨诸塞州海洋生物实验室和德国马克斯·普朗克研究所的科学家们在受精的蠕虫卵中发现了聚集的RNA分子的液滴。这些是凝聚体——悬浮在溶液中的浓缩蛋白质的液态或凝胶状泡沫。尽管已经观察了一个多世纪，但凝聚体开始被视为跨生命的分子过程的关键组织工具。研究人员意识到，凝聚体集中分子，预先组织它们形成一个灵活的微环境，而不是像固体那样将其固定在某个地方。“因为它们是流体的，所以它们是可塑的，”哈灵顿说，“所以你（即生物学）可以将它们塑造成你想要的任何形状。”更多的研究表明，活细胞在各处使用凝聚体，以组织DNA、调控基因表达和打包蛋白质。在宏观尺度上，凝聚体帮助物种构建有趣的材料。它们帮助将乌贼的喙塑造成一种刚度梯度的部分。它们形成强大的粘合剂，使贻贝能够附着在岩石上，以及海洋水泥，沙堡虫用它来构建保护管。“这一直是生物学中的一个热门领域，”霍兰德说。