在自养条件下使用海洋紫色光合非硫细菌Rhodovulum sulfidophilum生产重组蜘蛛丝MaSp2蛋白

把阳光和海水变成强韧的纤维

想象用光、海水和空气中的气体，而不是养蜘蛛，来制造高性能的“蜘蛛丝”。这项研究探讨了一种海洋细菌如何被改造为微小的太阳能工厂，在依赖大气中的二氧化碳和氮气的同时合成蜘蛛丝的构件。该工作指向了用更少耕地、淡水和化石原料就能生产先进材料的新途径。

来自海洋的小小工人

研究人员使用的微生物是Rhodovulum sulfidophilum，这是一种生活在海水中的紫色细菌，能够从光中获取能量。与植物不同，它不释放氧气，但仍执行一种光合类似的代谢。它还能够从空气中固定氮气，将其转化为生命所需的富氮分子。由于该菌能在咸水中生长并利用简单的无机物质，因此在不与农业争夺淡水或肥沃土地的前提下，它是制造有用产品的有前途的平台。

为什么蜘蛛丝如此令人着迷

蜘蛛丝长期以来吸引科学家和工程师，因为它既非常坚固又极具弹性。蜘蛛用于捕网的拉丝主要由称为spidroin的特殊蛋白质构成。本研究聚焦于其中一种蛋白MaSp2。自然界中，蜘蛛将这些蛋白浓缩溶解后，旋成具有复杂内部结构的纤维。由于蜘蛛难以规模化养殖——它们有互相残食的倾向——研究者通常转向经过工程改造的微生物，如酵母或常见实验室细菌来生产丝蛋白。然而，那些系统通常依赖富含糖分和氮的培养基，限制了其可持续性。

构建一个太阳驱动的丝绸作坊

团队将R. sulfidophilum重新设计，使其携带编码MaSp2丝蛋白的环状DNA。然后他们建立了促使细菌几乎完全依赖无机成分的生长条件：以二氧化碳作为碳源、氮气作为氮源，并以硫酸盐还原态化合物硫代硫酸钠作为电子供体来驱动类似光合作用的反应。在充满人工海水的10升容器中，他们通入二氧化碳和氮气，仔细控制pH以利于二氧化碳溶解，并用远红光照射培养物以匹配该细菌的光能采集系统。当加入硫代硫酸盐时，细胞生长相比早期缺乏该硫源的尝试显著增加。

测量生长和丝蛋白产量

在几天内，研究人员监测了细菌的增长速度以及有多少碳和氮从海水转移到细胞中。微生物生长约持续四天后趋于平稳，化学分析显示它们持续吸收碳和氮。细胞内这些元素的比值表明氮相对短缺，暗示能量消耗大的氮气固定步骤限制了总体生产力。研究团队随后破碎细胞并使用金属结合的纯化方法分离出工程化的MaSp2蛋白。尽管细菌每升只产生微克量可溶性丝蛋白——按工业标准微乎其微——但该工作证明了完全基于无机物和海水的培养条件既能支持生长也能支持重组丝蛋白的产生。

提升性能的路径

除了直接的概念验证外，作者还列出若干可提高产量的杠杆。改进光合效率，例如通过调整光强或营养平衡，可以产生更多用于氮固定和氨基酸合成的能量。微调丝蛋白的基因表达控制——例如仅在细胞密度较高后开启表达，或为该细菌的翻译机制优化序列——也可能减轻细胞压力并提高产出。该细菌利用多种还原硫化合物的能力表明，含硫的工业废物流有朝一日可为此类培养提供原料，进一步闭合资源循环。同时，作者指出大规模使用转基因海洋细菌需采取严格的安全措施以防止其逸出到自然环境中。

这对未来材料意味着什么

简而言之，这项研究表明，可以让一种海洋细菌在几乎完全以空气、光、海水和无机硫源为生的条件下生产蜘蛛丝蛋白。当前产量较低，但基本路径可行，作者也明确指出了提高效率的步骤。如果这些改进实现，这类太阳能驱动、基于海水的生产体系可能为制造坚固且有弹性的蛋白质材料提供一种占用更小资源足迹的途径，有助于将先进材料的生产从传统农业和化石资源中解耦。

引用: Suzuki, M., Numata, K. Production of the recombinant spider silk MaSp2 protein using the marine purple photosynthetic nonsulfur bacterium Rhodovulum sulfidophilum under autotrophic conditions. NPG Asia Mater 18, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00638-7

关键词: 蜘蛛丝, 光合细菌, 可持续生物制造, 海水培养, 重组蛋白