基因技術在新型纖維制造領域上的應用

　　摘要：目前基因技術在紡織轉基因方法制造的化學纖維——仿蜘蛛絲纖維，雖然不完全成熟，但前景無疑亦是十分廣闊。

　　關鍵詞：基因技術;仿蜘蛛絲纖維;天然彩色棉纖維;不皺棉花;無染色羊毛

　　由于基因密碼的破解以及基因復制、移植技術的不斷進步，基因技術已成為21世紀最重要的科學技術之一。在功能性紡織纖維領域，基因技術正逐漸成為各國科學家研究開發(fā)科技競爭的重點，新的研究成果不斷涌現(xiàn)。

　　1仿蜘蛛絲纖維

　　蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質，它憑借強度好、彈性好、初始模量大、斷裂功大等優(yōu)良的力學性能，以及輕盈、耐紫外線、既耐高溫有耐低溫、生物可降解這些特性，被譽為“能改變?nèi)祟惿畹男乱淮锢w維材料” [1]，在人們生產(chǎn)生活的各個領域，都能產(chǎn)生廣泛的應用。

　　蜘蛛絲性能如此優(yōu)越、運用前景如此廣闊，但是天然蜘蛛絲產(chǎn)量極其有限，而且蜘蛛很難養(yǎng)殖，故蜘蛛絲纖維的研發(fā)成了當今國際纖維界的熱門課題。

　　目前國際上普遍采用生物技術的轉基因方法來制造仿蜘蛛絲纖維。

　　1.1利用牛、羊奶制造仿蜘蛛絲纖維

　　1997年初，美國生物學家安妮•穆爾發(fā)現(xiàn)在美國南部有種名為“黑寡婦”的蜘蛛能分泌出兩種不同類型的絲用于織網(wǎng)。其中一種絲的強度超過其他蜘蛛絲的兩倍，另一種絲，在拉斷前很少延伸，但具有很高的斷裂強度，比制造防彈背心的“芳綸”纖維的強度還要高得多。為了獲得“黑寡婦”蜘蛛絲蛋白，將其基因注入奶牛的胎盤內(nèi)進行特殊培育，等到奶牛長成后，所產(chǎn)下的奶中就含有“黑寡婦”蜘蛛絲蛋白，再用乳品加工設備將蜘蛛絲蛋白從牛奶中提煉出來，然后再紡成的纖維。這種纖維既保持了牛奶纖維的精美和柔韌，其強度又比鋼強度大10倍，因此被稱為“牛奶鋼”。1999年起美國科學家利用轉基因的辦法，準備培養(yǎng)繁殖大量轉基因奶牛，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)“牛奶鋼”的需求，以便用以制造防彈背心，輕量型頭盔、降落傘繩等[2]。

　　加拿大的尼克西公司成功地利用轉基因山羊奶制造出了少量蜘蛛絲。研究人員將蜘蛛體內(nèi)產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白的基因移植到山羊受精卵的細胞核內(nèi)，培養(yǎng)出轉基因山羊，這樣轉基因的母山羊在發(fā)育成熟以后產(chǎn)出的羊奶中便含有了蜘蛛絲蛋白，然后在羊奶中加入特殊的溶劑就能抽出與真正蜘蛛絲相媲美的纖維。這種蜘蛛絲纖維在機械強度上可以與真正的蜘蛛絲相比，同樣具有天然蜘蛛絲的韌性。據(jù)稱每只山羊，每年可產(chǎn)3.65kg絲，該公司已將用這種仿蜘蛛絲纖維開發(fā)的工業(yè)和醫(yī)藥生物產(chǎn)品投入市場，每年可產(chǎn)生高達1億美元的銷售額[3]。

　　我國也在幾年前開始了紡蜘蛛絲纖維的研究，科學家成功地將蜘蛛絲蛋白基因轉移到老鼠身上，并成功地從第一代小白鼠的乳汁中獲得蜘蛛絲蛋白，不久將開始培養(yǎng)轉基因奶牛[4]。

　　1.2利用家蠶制造仿蜘蛛絲纖維

　　中國科學院上海生命科學、生物化學與細胞生物學研究所科研人員經(jīng)過數(shù)年攻關，解決了轉基因蠶基因導入、活性基因鑒定以及傳代育種等一系列技術問題，成功地用“電穿孔”的方法，將蜘蛛“牽引絲”部分的基因注入只有半粒芝麻大的蠶卵中，使家蠶分泌出含有蜘蛛牽引絲蛋白的蠶絲。此研究被列為國家“863”計劃重點項目，目前正在進行中[5]。

　　1.3利用植物制造仿蜘蛛絲纖維

　　將蜘蛛絲基因移植人植物，能培育出能夠產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白的轉基因植物。美國有報道將蜘蛛絲基因移殖到煙葉的基因中，使得煙葉在生長時除了可以生產(chǎn)尼古丁外也可以生產(chǎn)蜘蛛絲蛋白，隨后可利用急速冷凍破碎、煮沸等方式制取含蜘蛛絲蛋白的紡絲溶液[6]。

　　1.4利用生物工程技術制造仿蜘蛛絲纖維

　　科學家們通過大量的工作，用生物化學方法對蜘蛛絲蛋白和腺體分泌物進行了研究，分離了蜘蛛絲蛋白基因編碼的核苷酸序列，建立了數(shù)據(jù)庫。利用DNA合成技術已成功地建立了不同蜘蛛絲蛋白片段的基因序列模型，用這種模型可制造出一種合成基因，利用這種基因可生產(chǎn)出96.1%的基因序列與天然蜘蛛絲蛋白相同的產(chǎn)品。接下來的工作是大規(guī)模的生產(chǎn)這種蜘蛛絲蛋白[7]。

　　美國杜邦公司正著力于運用生物工程技術來大規(guī)模仿造蜘蛛絲。他們首先用先進的計算機模擬技術建立蜘蛛絲蛋白質各種成分的分子模型，然后運用遺傳學基因合成技術將遺傳基因植入酵母菌或細菌，利用工業(yè)發(fā)酵的方法使這種微生物在繁殖過程中大量產(chǎn)生類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質。通過這種方法產(chǎn)生的仿蜘蛛絲蛋白質，其溶解后抽出的絲，具有質輕、強力好、有彈性等特點，纖度可達真絲的1/10，強度是相同纖度鋼絲的510倍[8]。

　　2天然彩色棉纖維

　　彩色棉是一種具有天然色彩的新型棉花，采用有機耕作種植，無需漂染加工，廢棄后可循環(huán)再生，真正實現(xiàn)了從纖維生產(chǎn)到成衣加工全過程的“零污染”，因此它是綠色棉紡織品的首選原料，是21世紀最具市場潛力的綠色紡織品之一。大力推廣種植天然彩色棉花，在我國尤為重要，它將有助于打破發(fā)達國家"綠色貿(mào)易壁壘"，為我國的紡織業(yè)出口開辟一條"綠色通道"。

　　彩色是棉花本身的一種生物學特性。棉花的祖先，其顏色就是多姿多彩。然而隨著染色技術的發(fā)明，人們可以通過再加工獲得各色的棉花，從而導致了人們大量地種植白棉，而不再培育、種植其它色彩的棉花，漸漸的其它色彩的棉花被人類所拋棄。進入二十世紀，人類的歷史翻開了新的篇章，文明的進程前所未有加快了步伐，環(huán)境污染問題也日益突顯，成為困擾世界各國的人類發(fā)展的重大隱患，這時人們對彩色棉花又有了新的認識，發(fā)現(xiàn)它具有白棉所不可替代的環(huán)保優(yōu)勢。

　　如今天然彩色棉纖維的獲得方法，一是從自然界中尋找上古繁衍至今的彩棉活體，作為親本進行馴化、改良;二是運用轉基因技術，航天育種技術等高科技手段進行新品種的培育。

　　蘇聯(lián)最早于20世紀50年代初開始研究彩棉，美國從60年代加入到利用彩棉的大軍中來，1972年，美國科學家在該技術領域獲得成功，且在其后的幾十年間不斷進步。1993年，美國阿格拉斯圖公司開始研究開發(fā)用于制作藍色牛仔布的天然靛藍棉花品種，把靛青植物中控制藍色的基因插入植株中，并使其只在棉花纖維中作用，這樣整個棉花植株中只有棉花纖維變成藍色。[9]截止目前世界上主要有美國、俄羅斯、埃及、阿根廷、印度等國研究種植彩棉，主要顏色為棕、綠、紅、鴨蛋青、藍、黑。

　　我國具有悠久的棉花種植歷史，1819年我國江浙一帶就種植過紫花布出口歐洲。歷史上由于彩棉產(chǎn)量小、纖維短而不適應紡織工業(yè)的要求，所以生產(chǎn)上很難直接利用。進入70年代，河南、安徽等地也種植過很少的一部分彩棉用于研究。彩棉在我國的正式大規(guī)模研究種植還是在90年代。我國于1994年引進了這項技術，盡管起步較晚，但是發(fā)展很快。現(xiàn)已成功地種植出棕、綠、紅、黃、橙、紫、灰等色澤的彩棉品種，畝產(chǎn)已達95 kg～113kg，其品質優(yōu)于美國最好的品種，達到了國際領先水平[10]。

　　3天然“不皺棉花”

　　采用生物基因技術，不僅可以開發(fā)出天然彩色棉，而且可以得到天然“不皺棉花”。據(jù)美國農(nóng)業(yè)生活技術公司宣布，他們已經(jīng)培育出帶有外源基因的“不皺棉花”。這種基因來自能生產(chǎn)PHB(聚羥基丁酸酯)聚合物的細菌，將這種細菌的基因導入棉花的細胞，生長出來的新棉花仍保留原有的吸水、柔軟等性能，但其保溫性、強度、抗皺性均高于普通棉纖維。因此，用這種“不皺棉花”制成的襯衫可免燙，從而消除含有大量甲醛的抗皺性對人體的影響。

　　4無染色羊毛

　　利用生物基因技術得到的彩色棉纖維，可以解決纖維產(chǎn)品在染色加工時帶來的環(huán)境污染，同樣的思路也啟發(fā)人們重新認識動物性資源的纖維。

　　有關學者提出，無染色羊毛也是一種利于生態(tài)環(huán)境的紡織纖維。對于綠色纖維無染色羊毛產(chǎn)品而言，毛織物的顏色就是原來羊毛的顏色，如奶白色、棕色、灰色等，不需要經(jīng)任何其他的染色加工工藝[11]。近年來，澳大利亞由用身長藍色毛的綿羊經(jīng)過配種繁殖了蘇塞克斯種的彩色綿羊，這群羊經(jīng)數(shù)代繁殖后羊毛沒有褪色且毛質優(yōu)良。找出主導基因則有望培育繁殖彩色綿羊，可以預見，在不久的將來，將會在彩色纖維家族增添天然彩色羊毛。

　　5結語

　　生物技術的第三次浪潮已席卷紡織材料、燃料、化學品等消費品的制造業(yè)，基于基因技術開發(fā)的新型紡織纖維的品種在未來會不斷涌現(xiàn)，并極大程度地改善人們的生活。