蛋白质上海设施用户在动物丝结构与性能关系方面再次取得重要进展
时间 : 2017-09-04     

  2017年7月10日,国家蛋白质科学研究(上海)设施五线六站用户复旦大学高分子科学系陈新教授课题组以中国柞蚕(Antheraea pernyi)单丝为样品,通过控制单丝样品的形成条件,精确地对柞蚕丝的微观结构与宏观力学性能进行了关联,进一步阐明了动物丝的形成条件和聚集态结构对最终力学性能的重要性,与多家单位合作的相关成果再次发表在英国皇家化学会杂志Journal of Materials Chemistry B上(J. Mater. Chem. B., 2017, 5: 6042-6048)。  
  柞蚕丝与蜘蛛主腺体丝(major ampullate silk)具有相似的氨基酸序列,另一方面,柞蚕丝来源于柞蚕茧,在功能上与桑蚕丝相同。由此可见,柞蚕丝在结构、性能和用途上恰好位于蜘蛛主腺体丝和桑蚕丝的交叉点上。因此,对柞蚕丝结构和性能关系的研究对于深入了解动物丝意义重大。在本研究中,陈新教授团队从同一只成熟柞蚕中采用不同的拉丝速率(从8 mm/s到75 mm/s)获得了多个柞蚕单丝样品,成功避免了过去众多研究中由于蜘蛛或蚕个体差异带来的样品不确定性。由此,这些样品中结构的差异完全是人为控制拉丝速率带来的,将这些单丝样品中不同的结构与其表现出来的力学性能相关联,能够精确获得结构与性能之间的关系。研究结果表明,随着拉丝速率的增加,柞蚕丝中的b-折叠含量增加,同时,包括b-折叠在内的所有二级结构沿纤维轴的取向度也随之增加。反映在力学性能上,杨氏模量和断裂强度增加,断裂伸长率下降,整根应力-应变曲线的形状由与蜘蛛主腺体丝相似向与桑蚕丝相似转变。更为有趣的是,反映动物丝综合力学性能的断裂能在拉丝速率为15-30 mm/s时具有最大值,而这个拉丝速率正是柞蚕在自然状态下吐丝的速度。  
  在先期的工作中,陈新教授课题组还研究了超韧再生丝蛋白/碳纳米管杂化纤维结构与性能的关系(J. Mater. Chem. B, 2015, 3: 3940-3947);仔细研究和比较了五种印度产桑蚕和非桑蚕的结构与性能的差异(J. Mater. Chem. B, 2016,4: 4337-4347);以及在人工纺制高性能再生丝蛋白纤维过程中后拉伸过程对丝纤维结构与性能的影响(ACS Biomater. Sci. Eng., 2016, 2: 1992-2000)。这一系列研究成果让人们向破解动物丝强韧之谜的目标更进了一步。  
  国家蛋白质科学研究(上海)设施位于上海同步辐射光源的红外线站在对天然动物丝和再生丝蛋白纤维这种微小样品的表征上具有明显的优势。各种丝纤维中丝蛋白二级结构(螺旋、b-折叠、无轨线团)的含量以及它们沿纤维轴的取向度的获得都是依靠了同步辐射红外光源极高的亮度和出色的偏振性。在这一系列工作中,BL01B1线站科研人员积极参与,在实验方面提供了相应的专业技术支持,为成果的发表做出了积极贡献。  
  

  
  图示 柞蚕丝的力学行为根据拉伸速率的不同,可由与蜘蛛主腺体丝相似(低速下)向与桑蚕丝相似(高速下)转变 

 
  (上海设施提供)