家蚕真的可以吐出蜘蛛丝吗？

想必很多做材料科学的人都知道蜘蛛丝是一种性能优越的材料，但是想要大量的获取就变的非常困难。因为蜘蛛具有独特的领地和捕食特性，目前无法开展大规模人工养殖以获取蜘蛛丝纤维。利用可以大规模饲养的家蚕作为生产蜘蛛丝材料的想法由来已久，并且家蚕确定可以吐蜘蛛丝，这并不是一个新的报道。相反在实际应用中，已经有一家公司（Kraig Biocraft Laboratories）进行了大规模饲养可以吐蜘蛛丝的家蚕。我们研究团队（中科院植生所谭安江课题组领衔，联合黄勇平课题组、复旦大学陈新课题组及浙江农科院）最近报道了一种利用家蚕生产大量蜘蛛丝的方法。有人问我们的蜘蛛蚕和之前报道的有何不同？

其中最主要的差别是我们的蛋白表达方法和之前的报道不同。Kraig Biocraft Laboratories是一家美国的科技公司，但由于美国本土没有大规模饲养家蚕的工厂及人工费较高，他们公司选择在越南饲养可以吐蜘蛛丝的家蚕。他们饲养的家蚕是2012年发表在PNAS杂志上的成果（2012,109(3):923-928.）。他们是利用传统的转基因方法将表达蜘蛛丝的载体导入到家蚕的基因组中，转基因方法获得的家蚕由于本身吐丝基因没有任何改变，因此获得的蚕丝里面蜘蛛丝的含量较低（蛋白含量2%-5%）。即便如此，获得的蚕丝的机械性能也得到了大大的提高。

我们利用了当前流行的基因组编辑方法，用蜘蛛丝的基因替换家蚕蚕丝主要的蛋白成分-丝素重链基因。在导入蜘蛛丝基因的同时，把家蚕丝素重链基因剔除，实现了偷梁换柱的目的。这样可以利用家蚕本身表达丝素重链基因的启动子及其它调控元件来驱动蜘蛛丝基因的表达。因此获得的遗传改造的家蚕吐出的蚕丝含有蜘蛛丝成分大大的提高了（纯合体的蚕茧蛋白含量达到了30%以上）。虽然获得的材料性能并没有大的改善，但这是一次非常有意义的尝试，首先我们实现了基因替换，而不是转基因；二是基因替换具有基因组稳定性，我们都知道转基因在目前公众看来是不安全的，一个重要因素就是转基因容易发生基因组移动；三是我们提供的方法具有广谱性，不仅可以用了表达蜘蛛丝，还可以用作生物反应器表达其它具有价值的蛋白。

什么是基因组编辑？其实早在几年前我们实验室就已经做成了转基因表达蜘蛛丝的家蚕，根据我们的测定，蛋白含量太低，性能改变有限，与之前报道的没有太大的新意，因此我们放弃了继续用转基因的方法。基因组编辑这项技术大家应该并不陌生，这是诺贝尔奖级别的技术。它的原理就是利用靶向特定DNA位点的酶进行切割到达基因组断裂的目的，我们这次用的是TALEN技术，利用两对TALEN将家蚕的丝素重链基因两端切割，然后利用细胞内源的同源模版DNA修复机制将外源的片段导入在我们设定的位点。目前看来TALEN技术已经被最新的CRISPR技术替代了，未来使用CRISPR技术已经是大的趋势了。

相关报道：

1.     Arstechnica:

Researchers insert a spider web gene into the silkworm

https://arstechnica.com/science/2018/08/researchers-insert-a-spider-web-gene-into-the-silkworm/

2.     Science Alert:

Scientists Just Created Silkworms That Spin Super-Strong Spider Silk

https://www.sciencealert.com/gene-editing-talen-silkworms-spin-spider-silk-paving-the-way-mass-production

3.     生物通

科学家利用基因组编辑家蚕大量表达蜘蛛丝

http://www.ebiotrade.com/newsf/2018-8/201887154434672.htm