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纖維革命–人造蜘蛛絲

蜘蛛絲被認為是自然界中最強韌的纖維,日本山形縣有一家公司研發出一種經過遺傳工程改造的微生物生產的纖維蛋白。此纖維蛋白經過加工成絲狀後,不但輕盈,單位重量的韌性竟然是鋼鐵的340倍、鋁合金的300倍,更是市面上現有的碳纖複合材料的20倍;硬度為鋼鐵5倍、彈性是尼龍3倍,且1克的蛋白質能產出1萬公尺長的蜘蛛絲纖維
 
 
 
蜘蛛絲被認為是自然界中最強韌的纖維,日本山形縣有一家公司研發出一種經過遺傳工程改造的微生物生產的纖維蛋白。此纖維蛋白經過加工成絲狀後,不但輕盈,單位重量的韌性竟然是鋼鐵的340倍、鋁合金的300倍,更是市面上現有的碳纖複合材料的20倍;硬度為鋼鐵5倍、彈性是尼龍3倍,且1克的蛋白質能產出1萬公尺長的蜘蛛絲纖維。

關於人造蜘蛛絲的研究,始於1990年代Randolph Lewis,定序出絲纖維蛋白,並以大腸桿菌、苜蓿,甚至山羊來製造這些蛋白質,其後有德國公司AMSilk將生產的絲纖維蛋白應用在美妝及洗髮精中。而上文提到的Spiber公司則是將目標放在醫材及紡織上。Spiber使用合成基因、催動細菌產生絲纖維蛋白。絲纖維蛋白是存在於蜘蛛網中的蛋白質,利用人造絲纖維蛋白編織成蜘蛛絲。這種人工製成的絲纖維蛋白被取名為Qmonos,取自日文「蜘蛛網」的發音。利用大腸桿菌合成的目標絲纖維蛋白,是一種結構蛋白質,同時也是組成蜘蛛絲的結構中心。

開發人造蜘蛛絲主要包含四項流程,分別為分子設計、基因合成、微生物發酵以及紡絲開發,如圖片所示。分子設計是透過生物資訊技術分析胺基酸序列和遺傳密碼,尋找及設計可以達成目標功能性及生產率的蛋白質分子,使所設計的蛋白質分子具有更強的抗拉強度,高彈性,高耐熱性和更好的發酵效率(產率)。

在基因合成步驟方面,為了有效地開發新的蛋白質分子與各種胺基酸序列的能力,能高產率合成DNA是基本需求。然而,蜘蛛絲纖維蛋白具有高度重複序列,導致在此過程中的技術挑戰。Qmono的製造技術可以在三天內合成新的絲纖維蛋白基因,目前已合成了250項人造蜘蛛絲的基因。

微生物發酵是指當新設計的候選絲纖維蛋白基因被合成時,就使用特有的蛋白表達系統進行試生產。接著調整參數,如發酵條件和精製條件等,並開始試驗紡絲10天。透過這些初步篩選,就可以擴展到獲得所需數量的前導蛋白質。

紡絲開發是將微生物發酵產生的絲纖維蛋白質細化,然後通過紡絲技術加工成生物纖維。並由此分析所產生的人造蜘蛛絲,同時記錄在資料庫中,以供後續設計與應用。利用此技術所生產的人造絲纖維的韌性媲美天然蜘蛛絲,且是世界上第一個可以因應需求調整大小及體積的紡紗工藝。

這種生物纖維是通過破譯幾種蜘蛛基因以製造人造蜘蛛絲,該技術有多種產品應用領域,最初的產品將聚焦在心臟手術和汽車部件等領域的應用,還能運用在一般衣料、太空衣、甚至是防彈衣、汽車車體、人體的血管或韌帶修復等都深具移轉潛力。並可取代石化工業生產的許多衣料纖維,藉由遺傳工程改良,該微生物甚至還能產出兼具質輕與韌性的火車廂體或是航空機機身。

現在許多衣服纖維材料大多是利用石油產品製得,若以現在使用速度繼續下去,石油將在40至50年後枯竭。世界上有許多利用微生物取代能源的研究,倘若裡面的方法有辦法成功商業化,將可帶來未來的能源大革命。(本文由科技部補助「學習在雲端―揭開科學與科技的神秘面紗」執行團隊邀稿)

責任編輯:盧妍竹
審校:徐偉智
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