家蠶前部絲腺與新型蠶絲纖維開發的基礎研究

《家蠶前部絲腺與新型蠶絲纖維開發的基礎研究》是依託西南大學，由趙萍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：家蠶前部絲腺與新型蠶絲纖維開發的基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙萍
• 依託單位：西南大學

項目摘要

家蠶前部絲腺是絲蛋白在金屬離子、氫離子以及剪下力的作用下由無規則捲曲向β摺疊結構轉換的場所，在絲纖維形成過程中發揮了重要作用。通過改變前部絲腺的成絲環境為我們獲得高強度和高韌性的天然新型蠶絲纖維提供了新的思路。本研究在利用蛋白質組學和生物信息學對前部絲腺全蛋白質組分鑑定和分析的基礎上，篩選出與絲蛋白構象轉變相關的重要蛋白如表皮蛋白，離子通道蛋白等；進一步利用本實驗室成熟的轉基因技術在家蠶前部絲腺過表達典型的離子通路蛋白（如鈉鉀泵，鈣通道蛋白），並結合向絲腺中注射金屬鹽溶液的方法，對家蠶前部絲腺腔內的離子環境進行調控，從而獲得強度和柔韌性都能提高的天然絲纖維；同時利用RNA干擾及基因敲除技術對表皮蛋白及離子通道蛋白在蠶絲蛋白構象轉變中發揮的功能進行探究。本研究不僅對絲纖維形成及轉變機制提供有力的生物學證據，同時為新型蠶絲纖維在紡織服裝，生物醫藥和生物保健等領域的開發和利用帶來重大的社會價值。

結題摘要

以家蠶前部絲腺為主的家蠶紡絲管道是蠶絲蛋白構象變化，由液態蛋白向固態纖維轉變，並賦予蠶絲纖維良好性能的關鍵場所，因此家蠶紡絲管道的研究對揭示蠶絲纖維化機制及性能改良十分重要。本項目通過多種組學（轉錄組、蛋白質組和代謝組）聯用的技術手段，鑑定了一批與蠶絲纖維化密切相關的關鍵基因、蛋白及代謝物，明確了家蠶紡絲管道的生理功能，即為絲蛋白纖維化提供適宜的金屬離子強度、pH及剪下力。利用分子生物學等方法，部分基因、蛋白（如金屬離子轉運蛋白BmSERCA和Na/K-ATPase、氫離子轉運蛋白V-ATPase、表皮蛋白BmASSCP1&2和Bm11721）功能得到解析。在此基礎上，我們重點研究了金屬離子在絲蛋白纖維化過程中的功能。採用注射的方式，我們發現不同的金屬離子均可通過調控絲蛋白構象影響蠶絲纖維的力學性能，Ca2+可誘導絲蛋白產生更多的無規則捲曲和螺旋結構，從而使絲纖維延展性和韌性提高；K+、Cu2+和Fe3+能提高絲蛋白中的β摺疊含量，並使絲纖維的強度增加。本結果揭示了絲纖維形成的具體過程，表明通過改變蠶絲纖維形成的離子環境可以調控蠶絲纖維的力學性能。本項目進一步鑑定了家蠶紡絲管道特異啟動子BmCP231，並利用此啟動子在家蠶的紡絲管道對離子轉運蛋白基因（BmSERCA和BmNa/K-ATPase）進行超量表達，製備了穩定遺傳的能生產新型高性能蠶絲纖維的轉基因家蠶品系。分析轉基因家蠶的繭絲，發現超量表達BmSERCA的轉基因蠶絲β摺疊和螺旋結構含量增加，相應的強度、延展性、韌性和剛度都顯著增加，其中強度增加了21%，韌性增加了73%。本項目共發表論文25篇，其中SCI論文22篇，獲得專利授權1項。以上結果為揭示絲纖維形成機制的研究增加了新的知識，同時通過對蠶絲蛋白成纖維環境的遺傳操作賦予了蠶絲纖維新特質，為新型蠶絲的開發提供了新的視野。