同步辐射红外光谱对动物丝结构和成丝机理的研究

动物丝(蜘蛛丝和蚕丝等)具有优异的力学性能，但是动物如何在温和条件下制备出这种高性能纤维材料，即动物的吐丝机理目前尚未完全破译；同时人们通过工业纺丝技术纺制的人工丝纤维远未到达天然动物丝的力学性能。因此本项目拟运用同步辐射红外光谱对不同种类、不同来源，具有不同综合力学性能的天然动物丝单丝进行结构表征，通过定量地获得在动物丝结构与性能中起决定作用的丝蛋白b-折叠的含量，以及丝蛋白分子链沿纤维轴的取向程度，创建动物丝微观结构(丝蛋白b-折叠的含量及分子链的取向程度)与宏观力学性能(模量、断裂强度、断裂伸长率以及断裂能)之间相互关系的模型；同时运用同步辐射红外成像技术，描绘出丝蛋白在动物体内整个吐丝系统中构象和取向度变化的全景图像，明确丝蛋白从丝腺体中的无规线团/螺旋结构转变为在吐丝口附近的b-折叠结构的过程，进一步完善动物的吐丝机理。最后，期望将以上两项研究结果用于指导人工丝纤维的仿生制备。

动物丝具有优异的综合力学性能，受到了生物学家和材料学家的广泛重视，各国科学家都试图通过各种表征手段来破译丝的强韧之谜。由于动物丝力学差异很大，这种差异不仅存在于不同的动物丝之间，也存在同种动物丝不同部位，因此最好的方法是对动物单丝进行表征。但是作为表征蛋白质结构最为常用的红外光谱却极少用于动物单丝的表征，其原因在于动物丝普遍较细(520 μm)，而传统的红外光谱的光斑则相对较大(约为200 μm)。本项目利用同步辐射红外显微光谱具有的极高亮度和超高空间分辨率的优势对动物单丝进行表征。我们首先采用合适的狭缝成功获得了桑蚕丝(B. mori)、柞蚕丝(A. pernyi)和蜘蛛主腺体丝(N. edulis)单丝的高质量红外光谱。接着我们采用丝蛋白膜作为模型样本，证实了可以采用受水气影响较小的酰胺III谱带代替酰胺I谱带用于对丝蛋白各种构象组成进行定量分析。从红外光谱中我们得到三种动物单丝中丝蛋白分子的β-折叠百分含量，其中桑蚕丝为28%、柞蚕丝为23%、蜘蛛主腺体丝为17%，结果与采用核磁共振、X-射线衍射和拉曼光谱得到的结果基本一致。我们在成功建立同步辐射红外显微光谱表征动物单丝的基础上，深入地研究了柞蚕单丝中丝蛋白分子链的取向，结果表明除了β-折叠沿纤维轴方向上高度取向外，α-螺旋也沿纤维轴方向存在一定程度的取向。我们还研究了在拉伸条件下，柞蚕单丝中分子链二级结构的取向和百分含量的变化。研究发现，在拉伸过程中，β-折叠的含量和取向并未发生明显变化，但α-螺旋和无规线团的取向程度明显提高，表明α-螺旋和无规线团对拉伸应变具有决定性作用。我们还成功地将红外显微光谱成像技术用于研究丝蛋白/高分子共混材料的相行为。我们以应用范围最广的丝蛋白/壳聚糖、丝蛋白/海藻酸钠、丝蛋白/聚乙烯醇、丝蛋白/聚氧化乙烯共混膜为研究对象，采用红外显微光谱成像技术对其相容性进行了表征。这些结果与前人采用动态力学分析和扫描电镜等表征方法观察的结果相一致，表明红外显微光谱成像技术可以用于研究丝蛋白/高分子共混材料的相行为，更为重要的是通过它还能够获取特定相中丝蛋白分子链的结构信息。此外，我们采用再生丝蛋白水溶液进行了人工纺丝。将同步辐射红外光谱对天然动物丝单丝进行表征获得的实验结果，用于对人工纺丝工艺条件的选择进行指导，目前我们获得的再生丝蛋白纤维断裂能接近80 kJ/kg，为天然蚕茧丝的2倍。