クモの糸

絹は階層構造を持っています。一次構造は、主に高度に反復するグリシンとアラニンのブロックから構成されるタンパク質（スピドロイン）のアミノ酸配列です^{[ 4 ] [ 5 ]} 。そのため、絹はブロック共重合体と呼ばれることがよくあります。二次レベルでは、短い側鎖アラニンは主にナノフィブリルの結晶ドメイン（ベータシート）に見られます。グリシンは主に、らせん構造とベータターン構造からなるいわゆる非晶質マトリックスに見られます^{[ 5 ] [ 6 ]} 。硬い結晶セグメントと歪んだ弾性半非晶質領域との相互作用により、クモの糸は並外れた特性を持っています^{[ 7 ] [ 8 ]。}タンパク質以外のさまざまな化合物が繊維の特性を高めるために使用されます。ピロリジンは吸湿性があり、アリの侵入を防ぎながら絹を湿った状態に保ちます。接着剤糸には高濃度で含まれています。リン酸水素カリウムは水溶液中で水素イオンを放出し、 pHを約4にすることで絹を酸性にし、タンパク質を分解する真菌や細菌から絹を保護する。硝酸カリウムは酸性環境下でタンパク質の変性を防ぐと考えられている。^{[ 9 ]}

テルモニアは1994年にこの絹の基本モデルを提唱した。^{[ 10 ]}彼は、水素結合で相互に連結された非晶質マトリックスに埋め込まれた結晶を示唆した。このモデルの改良には、半結晶領域の発見^{[ 5 ]}と、後に原子間力顕微鏡（AFM）と透過型電子顕微鏡（TEM）によって可視化されたクモの糸の繊維状スキンコアモデル^{[ 11 ]}が含まれる。^{[ 12 ]}ナノ繊維構造と結晶領域および半結晶領域のサイズは、中性子散乱によって明らかになった。^{[ 13 ]}

繊維の微細構造情報と巨視的な機械的特性は関連している。^{[ 14 ]}秩序領域は、(i) 低伸張繊維では主に変形によって再配向し、(ii) 繊維の伸張度が高くなるにつれて秩序領域の割合が徐々に増加する。

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  クモの円網、構造モジュール、およびクモの糸の構造の模式図。^{[ 15 ]}左側には円網の模式図が示されています。赤い線は牽引線、放射線、および枠線を表しています。青い線は螺旋線を表し、円網の中心は「ハブ」と呼ばれます。青色で描かれた粘着性の球は、集合腺から分泌される粘性物質で螺旋線上に等間隔で作られます。梨状腺から分泌される付着セメントは、異なる線を接続して固定するために使用されます。顕微鏡的に見ると、クモの糸の二次構造は、右側に示されている構造を持つスピドロインで形成されています。牽引線と放射線では、結晶性のβシートと非晶質のらせん構造が織り合わされています。βらせん構造の量が多いため、円網の捕獲部分に弾性特性があります。構造モジュール図では、上部中央部に示すように、主にMaSp1とMaSp2という2つのタンパク質から構成される牽引線と放射状線の微細構造が示されている。らせん状線には結晶性のβシート領域は存在しない。

それぞれのクモとそれぞれの種類の絹は、生物学的機能に最適化された一連の機械的特性を備えている。

ほとんどの絹、特に曳糸は、優れた機械的特性を備えています。高い引張強度と伸長性（延性）という独自の組み合わせを示し、これにより絹繊維は破断する前に大量のエネルギーを吸収することができます（靭性、応力-ひずみ曲線下の面積）。

強度と靭性は異なる性質である。重量比で比較すると、絹は鋼鉄よりも強いが、ケブラーほど強くはない。しかし、クモの糸は鋼鉄とケブラーの両方よりも靭性に優れている。

クモの糸繊維の機械的特性のばらつきは、分子の配向度に関連している。^{[ 16 ]}機械的特性は、湿度や温度などの周囲環境にも依存する。^{[ 17 ]}

絹繊維は、最小限の絹基質を用いてパターン（「付着ディスク」と呼ばれる）に紡がれた、2種類の化合物からなる洋ナシ形の分泌物である。 ^{[ 31 ]}洋ナシ形の糸は常温で重合し、すぐに機能し、生分解性、汎用性、環境中の他の材料との適合性を維持したまま、無期限に使用できる。 ^{[ 31 ]}付着ディスクの接着性と耐久性は、紡糸口金内の機能によって制御される。^{[ 32 ]}絹の接着特性の一部は、微細繊維と脂質の包接体からなる接着剤に似ている。^{[ 31 ]}

腺の目に見える部分、つまり外部の部分は、紡績突起と呼ばれます。種の複雑さによって、クモは通常ペアで2～8個の紡績突起を持っています。種によって特殊化した腺は異なり、片端に開口部​​のある袋状のものから、黄金色の絹糸を織るクモの複雑な多節構造の膨大腺まで様々です。^{[ 56 ]}

クモの表面にあるそれぞれの糸疣の後ろには腺があり、その概略図を図に示す。

腺の特徴

1. 一番左の部分は分泌部または尾部です。この部分の壁は、このクモの牽引糸の主要成分であるスピドロインIとスピドロインIIというタンパク質を分泌する細胞で覆われています。これらのタンパク質は、徐々に伸びて最終的な繊維の長さに沿って長いチャネルを形成する液滴の形で存在し、亀裂の形成や自己修復を防ぐのに役立つと考えられています。^{[ 59 ]}
2. 次にアンプル（貯蔵嚢）があります。これはゲル状の未紡糸絹糸を貯蔵し、維持します。さらに、最終的な繊維の表面を覆うタンパク質を分泌します。^{[ 27 ]}
3. 漏斗は、貯蔵袋の大きな直径を、先細りの管の小さな直径まで急速に縮小する。
4. 最後の部分はテーパー状の管で、繊維形成の大部分が行われる場所です。これは、いくつかの急な曲がりがあるテーパー状の管で構成されており、端近くのバルブには、固体の絹繊維が出てくるスピゴットがあります。管は双曲線的にテーパー状になっているため、紡績されていない絹は一定の伸長せん断応力下にあり、これは繊維形成の重要な要素です。このセクションは、イオンを交換し、ドープのpHを中性から酸性に下げ、繊維から水分を除去する細胞で覆われています。^{[ 60 ]}せん断応力とイオンおよびpHの変化が総合的に作用して、液体の絹ドープは相転移を起こし、分子構造が高度に組織化された固体のタンパク質繊維に凝縮します。端のスピゴットには、繊維を挟み込むリップがあり、繊維の直径を制御し、さらに水分を保持します。
5. ほぼ末端には弁がある。これはかなり前に発見されたものの、その正確な目的はまだ議論中である。切断された繊維の再開と再結合を助け、^{[ 61 ]}らせんポンプのように機能し、繊維の太さを調節し、^{[ 42 ]}クモが繊維に落ちたときに繊維を挟むと考えられている。^{[ 61 ] [ 62 ]}カイコの絹糸プレスの類似性、およびこれら2つの生物の絹生産においてこれらの弁が果たす役割については議論中である。

プロセス全体を通して、絹は液晶に似たネマティックテクスチャーを持つように見える^{[ 63 ]。}これは、絹ドープのタンパク質濃度が高いこと（重量比で約30％）に起因する部分もある^{[ 64 ]} 。これにより、絹は分子秩序を維持しながら液体としてダクト内を流れることができる。

複雑な紡糸場の例として、成体のAraneus diadematus (ガーデンクロス スパイダー) の紡糸器官は、下図に示す多数の腺から構成されています。^{[ 9 ]}同様の腺構造は、クロゴケグモにも見られます。^{[ 65 ]}

• 付着点となる500個の梨状腺
• ウェブフレーム用の4つの膨大腺
• 卵嚢の外膜および獲物を捕らえるための300個の腺房状腺
• 卵嚢の絹糸を分泌する4つの管状腺
• 接着機能のための4つの集合腺
• 接着線を通すための2つの冠状腺

紡績前の絹の分子構造は複雑かつ長い。この構造は繊維に望ましい特性を与える一方で、複製を困難にしている。必要なタンパク質成分を複製する試みには、様々な生物が利用されてきた。これらのタンパク質は、特性を試験する前に、抽出、精製、そして紡績されなければならない。

比較的単純な分子構造を持つクモの糸は、効果的な繊維を形成するために複雑な管を必要とする。アプローチ：

絹は、薬物送達用の球状カプセル、細胞足場および創傷治癒、繊維、化粧品、コーティングなど、さまざまな形状やサイズに成形できます。^{[ 85 ] [ 86 ]}クモの糸タンパク質は、超疎水性表面上でナノワイヤーやミクロンサイズの円形シートに自己組織化できます。^{[ 86 ]}組換えクモの糸タンパク質は、静止溶液の液気界面で自己組織化して、細胞増殖をサポートするタンパク質透過性で丈夫で柔軟なナノ膜を形成できます。潜在的な用途には、皮膚移植や、オルガンオンチップの支持膜などがあります。^{[ 87 ]}これらのナノ膜は、血管の静的なin vitroモデルを作成するために使用されています。 ^{[ 88 ]}

同等の繊維を生産するために必要な複雑な条件を再現することは、研究と初期段階の製造において課題となってきた。遺伝子工学により、大腸菌、酵母、植物、カイコ、およびカイコ以外の動物が、クモ​​の糸とは異なる特性を持つクモの糸に似たタンパク質の生産に使用されてきた。^{[ 89 ]}水性環境下でのタンパク質繊維の押し出しは「湿式紡糸」として知られている。このプロセスにより、直径10～60μmの絹繊維が生産されているが 、天然のクモの糸の直径は2.5～ 4μmである。人工クモの糸は、天然の牽引糸よりもタンパク質が少なく単純であるため、直径、強度、柔軟性は天然の牽引糸の半分しかない。^{[ 89 ]}

南カルパティア山脈の農民は、アティプスが作った管を切り取って、その内側の裏地で傷を覆っていた。それは治癒を促進し、皮膚と繋がったと言われている。これは絹の殺菌作用^{[ 125 ]}と、血液凝固を助けるビタミンKが絹に豊富に含まれているためと考えられている^{[ 126 ]}。N. clavipesの絹は、哺乳類の神経再生に関する研究に使用された^{[ 127 ] 。}

クモの糸は、望遠鏡、顕微鏡^{[ 128 ]}、望遠ライフル照準器^{[ 129 ]}などの光学機器の十字線の糸として使用されてきました。 2011年には、光通信で使用されるNスリット干渉信号上に微細な回折パターンを生成するために絹繊維が使用されました^{[ 130 ]。}絹は、レーザーと組み合わせて人体内部の高解像度画像を作成するために使用できるバイオレンズの作成にも使用されています^{[ 131 ] 。}

絹は、レーザー点火中に慣性閉じ込め核融合ターゲットを吊り下げるために使用されてきた。これは、絹が10～20  Kという低温でもかなりの弾性を保ち、高い破壊エネルギーを持つためである。さらに、絹は「軽い」原子番号の元素から作られており、照射中にターゲットを予熱する可能性のあるX線を放出しないため、核融合に必要な圧力差が制限される。^{[ 132 ]}