人造蜘蛛絲和真的蜘蛛絲在成分上有區別嗎？在實際中有哪些應用？

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在看標日中級的時候有篇文章叫「蜘蛛の糸」，說的是蜘蛛絲的強度很高，並且提到了因為養殖蜘蛛困難，所有有人開發出了人造蜘蛛絲，
比較好奇那人造蜘蛛絲和真的蜘蛛絲在成分上有區別嗎？目前有什麼樣的研究進展？在實際中有哪些應用？

我所了解的華人做人工蜘蛛絲的組，大概只我們組和@Suyoung Wang 那邊。

目前的人造蜘蛛絲都是通過講蜘蛛的基因進行改造之後，放在不同的生命體中表達蛛絲蛋白（例如大腸桿菌，蠶，羊等），再進一步提純。成分雖然略有區別 (Nter--(RP)*n--Cter)，且強度什麼的和天然蛛絲比起來也有不小的差距，但是這並不重要。人工蜘蛛絲比真?蜘蛛絲的優點在於，可以以液態的形式儲存蜘蛛絲蛋白。

可記得amazing spider-man 里，儘管 Peter Parker驚人的彈跳力是通過被變異咬了一口獲得，但是蛛絲前體卻是放在了一個手錶似的裝置裡面，隨用隨生成固體絲。電影看到這一段時同事們十分激動，因為這和目前實驗室製備的蜘蛛絲和十分類似。

液態的蛛絲蛋白，給人造蜘蛛絲未來的形態和應用創造了多種可能，不僅限於又粘又彈的蛛絲。在研究中的功能比如生物支架，材料有柔性且可降解，比如有的組就把液態蛛絲蛋白打成泡，幹了以後是一堆囊泡在一起，上面若是再附著一層細胞，你看像不像肺臟？醫藥層面上的研究還有藥物傳遞等，類似GST-tag的可溶性tag，；將酶附著在蛛絲蛋白的材料上，用完了之後撈起來，易回收又能反覆利用，從此做western blot再也不用怕老闆說你浪費了。更多應用，等待大家的腦洞……

雖然說到的可能的應用都還在研究中，但是指不定哪天你就可以在淘寶買到Peter Parker的吐絲腕錶了，比apple watch可是炫酷多了

謝 @袁霖邀。最近正好在寫項目計劃，我就從裡面摘錄整理一下來回答。盡量減少術語的使用，讓大家都能看明白，但仍需要有一些高中水平生物學概念。

首先明確一下，因為我的研究方向的關係，我回答中的人造蛛絲，指的是利用基因工程手段，製造出的與天然蛛絲性能相似的人工纖維，不考慮用其他通過仿生學手段模擬蛛絲的分子結構開發出的人工纖維，因為我確實不太了解，但我知道的有MIT曾經模擬天然蛛絲的分子結構開發出了高強度的人工纖維，歡迎各路材料大牛來講一講。

因為題目中問了研究進展，而似乎知乎上關於蛛絲的內容都不太詳細，所以我講了很多，能讓大家有一個較為全面的認識，不想看的可以直接跳到最後看簡短答案。答案中列出的數據是我在文獻中看到的，也許會有遺漏，歡迎指出。

==================下面是答案==================

蜘蛛（Spider）屬於節肢動物門（Arthropoda）蛛形綱（Arachnida）蛛形目（Araneae），種類繁多、廣泛分布於世界各地。全世界目前有記載的蜘蛛有114個科，3951個屬，共計45302種（NMBE - World Spider Catalog，截至2015.03.13）。蜘蛛絲在蜘蛛捕食、逃逸以及編織卵袋等活動中發揮著重要作用。蜘蛛在一生中都能產生一種或多種絲纖維，如古蛛亞目、原蛛亞目和新蛛亞目的蜘蛛分別可產生1種、3種和7種絲纖維蛋白。目前在研究領域受到關注最多的是圓網蜘蛛的蛛絲。圓網蜘蛛就是大家經常看到的那種結個大網的蜘蛛，它能分泌六種不同的絲纖維和一種黏液蛋白，這些七種絲纖維/膠粘物分別為主壺腹腺絲、次壺腹腺絲、鞭狀腺絲、管狀腺絲、葡萄狀腺絲、梨狀腺絲和粘合物，它們的性能各有特點，分別由七種腺體產生。

其中強度最高的是主壺腹腺絲，可達1.5GPa，與高強度鋼（high-tensile steel）相當。次壺腹腺絲與主壺腹腺絲相仿，但更細。鞭狀腺絲彈性最好。

不同類型的蛛絲纖維雖然機械性能差異較大，但是均具有自身突出的性能優勢，與其行使的功能高度一致。從分子水平分析，蛛絲纖維的化學本質均為蛋白質，是由蛛絲蛋白聚合而成的高性能聚合纖維。蛛絲蛋白分子量較大，可達300kDa。典型的蛛絲蛋白結構可分為N端非重複區（NT，約130個氨基酸）、C端非重複區（CT，約110個氨基酸）和中間重複區（Rep，佔到整個蛋白序列的90%以上），不同的蛛絲蛋白纖維性能主要由重複區決定，NT和CT主要在蛛絲蛋白高濃度存儲和成絲過程中起到調節作用。

由於蛛絲蛋白巨大的分子量，其編碼基因也很長，可達10~20kb，這就導致了其全長基因獲取困難，目前僅得到了三種蛛絲蛋白的全長基因，即主壺腹腺絲、次壺腹腺絲、葡萄狀腺絲的全長編碼基因。其餘的很多報道都僅有部分編碼序列，所以目前仿生蛛絲的研究有兩個方向，一個是利用已知的蛛絲蛋白C端、N端和重複區的DNA序列中的一種或多種進行人工拼接來模擬天然蛛絲蛋白，我們稱之為人工重組蛛絲，另一種是嘗試獲取完整的天然蛛絲蛋白來進行人工仿生。

由於蛛絲蛋白編碼基因中存在大量的重複序列（Rep區）和其特殊的氨基酸構成（丙氨酸、甘氨酸含量高），導致人工生產極其困難，產量極低，目前人工重組蛛絲生產中最大分子量可以達到280kDa，蛋白產量仍不能滿足工業生產需求。完整天然蛛絲蛋白獲取仍無大的進展，我們還在嘗試中。我們的合作夥伴目前單次發酵生產能獲得0.5kg蛛絲蛋白，1g蛛絲蛋白可以紡出100000m纖維，具體情況我不太清楚，但距離大規模生產應用仍然較遠。

還有就是如何把得到的蛛絲蛋白紡成人工蛛絲，因為蛛絲的成絲過程與其性能密切相關

最後講一下人工蛛絲的性能，目前最好的人工蛛絲里，強度最好的能達到天然蛛絲的一半，彈性最好的能達到天然蛛絲的三分之一。

==================下面是簡短答案==================
簡單來說，從化學本質上來說，人工蛛絲和天然蛛絲都是蛋白質聚集而成的聚合纖維，它們的蛋白分子結構相似，但具體氨基酸序列差異巨大。目前我們已經可以人工表達出蛛絲蛋白並人工仿生出與天然蛛絲相似的蛛絲纖維，但性仍有較大差距。由於蛛絲蛋白的特殊性質，蛋白生產量實在是慘不忍睹，所以在人工蛛絲的生產應用上，我們仍有很長的路要走。
==================簡短答案到這裡==================

綜上，目前我們雖然在利用基因工程進行人工蛛絲生產上努力了35年，但結果仍然很不理想，我們還有很多不清楚的地方，比如我們連編碼基因都沒找全╮(╯▽╰)╭

至於實際應用，我想應該是沒有應用（╯°口°）╯︵┴─┴

但是可以開開腦洞，比如蛛絲纖維比Kevlar性能好，所以我們可以製造防彈衣，和現在的防彈衣比又好又輕又透氣還晶晶亮。。。。把它織成大網，讓飛船拖著去撈太空垃圾。。。。做醫用縫合線，又細又牢固，還能被人體吸收省的拆線。。。。

但是你首先得能工業生產(─.─|||

==================2015.03.16更新==================
評論區有同學問可不可以養殖蜘蛛。
答案是不可以。蜘蛛因為捕獵的需要和同類相食的習性無法大規模養殖，而且蜘蛛的產絲量相比蠶也很低。目前唯一（此處存疑）可以大規模人工飼養的蜘蛛是虎紋捕鳥蛛（Ornithoctonus huwenna），也叫地老虎，在國內分布於廣西、雲南、海南，是國內最大體形的穴居蜘蛛。在廣西等地有人專門飼養，但穴居蜘蛛不結網，只在產卵和進食時吐絲。所以每次在餵食後可收集到一定量的絲纖維。但具體為什麼不能大規模應用的我不太清楚，很可能與飼養成本和吐出的絲纖維強度有關。

結合 @Suyoung Wang的答案，再補充一點點材料方面的tips：
成分即便完全一樣，也不代表就會有著同樣的性能。
清華大學的石高全老師曾經這麼點評蛛絲：蛛絲和蠶絲都是以蛋白質為主要成分，分子間的作用力基本類似，分子量也差不太多，但力學性能卻立分高下，蛛絲是自然界強度最高的纖維，蠶絲就很普通，歸根到底就是一個問題，蠶寶寶太胖！所以同學們，一定要注意減肥！！！
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上面這句話雖然很有些調侃，但卻不是毫無道理，不是因為其勵志，而是因為這句話揭示了高分子材料加工過程中取向的重要性。（同樣，回答盡量減少術語的使用，專業上不精確的地方見諒）
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取向這個問題並不複雜，我們可以想像一下竹子的構造。竹子很容易縱向劈開，但要想從橫斷面砍斷就非常難了，要是更想不開打算直接靠拉力去拉斷竹子，那就不是一般人力所能為了。這個道理很簡單，因為很容易觀察，竹子的纖維結構都是縱向排列，這樣我們就發現了這樣一種各向異性的特徵。這樣的好處顯而易見，在縱向維度上，竹子收穫了高強度，竹纖維也因此擁有了很高的應用價值。這就是肉眼可見的一種「取向」。
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我們都知道，高分子就是把小分子用化學鍵連成了一長串，像聚乙烯，就是-CH2-這個單元的不斷重複，最穩定的熱力學微觀狀態是鋸齒狀的形式。然而，我們也知道，即便是宏觀的一根長繩也是以蜷成一團的狀態穩定存在，同樣，聚乙烯也不會老老實實保持最穩定的鋸齒狀，而是四仰八叉什麼樣兒都有，以至於宏觀來看，一般的聚乙烯材料根本不具有各向異性的特點，而是成為了一種各向同性的塑料。
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如果突破不了這個瓶頸，那麼人造纖維可能也就不存在了。後來人們想到了一種方法，終於解決了這個問題就是所謂的高分子紡絲工藝。其實紡絲工藝可謂是蛛絲的仿生設計，直觀上理解，其實就是讓高分子材料固化定型的同時，在軸向外加一個力，從而實現對高分子的取向。當然，這個過程不是對所有高分子都有效，如果拿的是聚異戊二烯，就目前的技術怎麼紡也都是橡膠。但確實很多具有強極性鍵（但分子本身不一定具有極性）的高分子可以通過這個手段進行一個維度的取向，成為性能優異的纖維材料。
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也不是沒有討巧的辦法，如果對材料稍有了解，一定聽說過芳綸這種東西。芳綸在人類自製的高強度纖維里可以排到前幾位，這麼牛的表現全倚仗它的微觀結構。如果說聚乙烯是一根繩子，那麼芳綸的分子就是一根鋼筋。把分子做成剛性的，不就不會蜷成一團了嗎？這就是材料學家們討巧的辦法，而且已經成為了現實。目前，芳綸是軍工纖維中最受歡迎的材料之一。
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再回到蛛絲的問題上，我們合成蛛絲這樣的高分子雖然很難，但更難的其實還在於如何讓它發揮出高強度的性能來。撇開蛋白質的二級結構、三級結構不談，就是最後的加工過程就非常值得考究。同樣的高分子材料，用不同的紡絲機械和技術，可以得到性能迥異的產品。同樣，如果我們合成出了蛛絲，然後用蠶寶寶蠕動著來吐絲，而不是像蜘蛛一樣嗖地飛來飛去，結果得到的產品也差不多只是蠶絲一樣的性能，誰讓萌蠢的蠶跑不動呢。說起來，塑料擠出工藝也有些向蠶致敬的意思呢。
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不說高大上的轉基因技術，其實純化學方法合成類蛛絲材料的工作也有不少人在做。有一種技術叫自組裝，這也是近年來高分子領域中被熱捧的領域，有興趣的話可以看看這個技術簡單的入門介紹【doc】多肽分子自組裝研究進展；
這個技術應該很有未來，不過解決不了眼下工業上對高強度纖維的需求，所以一些量產高分子材料還是當下高強度纖維的主角，除了上述的芳綸外，還有大名鼎鼎的超高分子量聚乙烯和碳纖維等。當然它們除了強度以外，其他的很多性能都與蛛絲完全不匹配。
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至於說蛛絲的應用嘛，最好用的地方還是語言學，日常不老說「蛛絲馬跡」么。。。
好吧，應用方面不敢妄自拽測，因為很多領域不是缺什麼才去開發什麼，而是開發出了某種材料然後新生了很多領域，就好比銅器時代的人去思考鐵器如何應用一樣。所以，拭目以待吧，記得先減肥！

你知道嗎,如果蜘蛛絲無法吊起一隻蜘蛛,這隻蜘蛛基本就活不成的.所以呢,讓那些研究蛛絲的人用自製的蛛絲吊自己,只留能活下來的,這些蛛絲的質量也會大幅度提高的!!!

最近看的新聞，蜘蛛絲可大大加強電池的使用性能

我前陣子看了部BBC的紀錄片 http://movie.douban.com/subject/10461350/
裡面講的是把蜘蛛的基因注入到羊上。羊產的奶就會包含有蜘蛛絲的蛋白，然後就可以拉出蜘蛛絲了。

@ suyoung wang

聽說人造蛛絲能把飛機拖住 0.0 充滿好奇中

蜘蛛俠