蜘蛛丝蛋白溶液在变性条件下的局部粘弹性：动态分级分子间相互作用的调控机制

　　本研究通过光学镊子微流变技术(OTM)揭示了黑寡妇蜘蛛丝蛋白(MaSp)在尿素变性条件下的粘弹性行为，发现其具有剪切稀化、瞬态弹性平台和多尺度松弛等特征，证实了预组装结构通过动态交联和缠结调控丝蛋白溶液的介观流变学特性，为理解蜘蛛丝纺丝机制和仿生材料设计提供了新见解。

　　

蜘蛛丝作为自然界最坚韧的材料之一，其卓越的力学性能源于蜘蛛丝蛋白(MaSp)独特的自组装行为。然而，蜘蛛丝蛋白在天然纺丝前体——丝腺"纺丝原液"(dope)中的动态组装机制仍不清楚。传统流变学方法因剪切诱导的结构变化而受限，难以准确表征这种复杂体系的粘弹性。

为解决这一难题，Karthik R Peddireddy团队创新性地采用光学镊子微流变技术(OTM)，在4M尿素变性条件下系统研究了黑寡妇蜘蛛(L. hesperus)大壶腹腺(Ma)丝蛋白溶液(4 mg/mL和10 mg/mL两种浓度)的频率依赖性粘弹性。通过追踪捕获微球的布朗运动，研究人员首次在非扰动条件下揭示了丝蛋白溶液的动态力学响应谱。

研究采用光学镊子微流变系统(1064 nm Nd:YAG激光，60×1.4 NA物镜)测量热波动，通过广义斯托克斯-爱因斯坦关系(GSER)计算复模量G*(ω)。TEM证实溶液存在22-600 nm的多分散组装体。对20-30次独立实验数据进行统计分析，采用非配对t检验评估显著性差异。

【浓度依赖的粘弹性行为】

研究发现低浓度溶液(c_L=4 mg/mL)呈现典型缠结聚合物特征：低频区G″>G′(ω<>₀≈2.1 rad/s)，中频弹性平台区(G′>G″)，高频区G″～ω^3/4。而高浓度溶液(c_H=10 mg/mL)表现出反常行为：弹性平台区范围随溶解时间延长而缩小，且在ω_c≈2.9 rad/s处出现局部粘度极大值，暗示介观相分离。

【普适性松弛时间尺度】

两种浓度在ω_b≈2.5 rad/s(τ_b≈0.5 s)处均表现出与浓度无关的松弛过程，提示存在瞬态交联机制。该时间尺度与先前报道的天然纺丝原液数据(τ≈0.5 s)高度一致，可能源于阳离子-π/π-π相互作用形成的动态交联网络。

【老化效应】

溶解时间显著影响流变响应：c_H溶液的弹性模量G⁰随时间呈t^-1.4衰减，而c_L溶液则保持相对稳定。通过Rouse模型分析发现，c_H溶液的缠结数Z随时间从3.3降至1以下，表明大尺寸超分子组装体逐渐解离为小聚集体。

这项研究首次系统阐明了蜘蛛丝蛋白溶液在变性条件下的动态力学谱，揭示了多尺度松弛过程的协同作用：瞬态交联(τ_b≈0.5 s)主导快速松弛，缠结网络控制中间时域响应，而超分子组装体的逐步解离决定长期流变行为。特别值得注意的是，高浓度溶液表现出的剪切增稠-稀化转变和介观相分离特征，可能正是蜘蛛在纺丝过程中实现液-固转变的关键物理机制。这些发现不仅深化了对天然纺丝过程的理解，也为设计新型仿生纤维材料提供了重要理论依据。

该成果发表于《Acta Tropica》，通过创新性地将微流变技术与蛋白质变性研究相结合，为复杂生物大分子体系的动态力学表征建立了新范式。未来研究可进一步探索环境因素(如pH、离子强度)对丝蛋白动态组装的影响，以及这些物理过程与纤维力学性能的构效关系。