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家蚕表型多样性示意图 。
自膨胀蚕丝蛋白止血海绵。
家蚕基因和变异分布图。
蚕丝蛋白生物双面胶 。
向仲怀(左一)指导学生进行实验。
以上图片均为西南大学党委宣传部提供
网友:最近看到新闻报道,蚕丝不仅能做衣服,还能用来修复伤口 ,甚至制造“人工角膜 ”。一只小小的蚕,原来有这么多神奇应用 。这背后有什么科学原理?
编辑:修复创伤时,使用蚕丝蛋白制成的温和敷料 ,能加速愈合且不致敏;眼角膜严重受损,一种蚕丝蛋白基的“人工角膜”能被快速移植,助患者重见光明……这些应用场景其实并不遥远。本期“院士讲科普” ,我们邀请中国工程院院士 、著名蚕学专家向仲怀,带大家了解现代科学视野中的家蚕。
蚕丝蛋白:极具想象力的“智慧材料 ”
蚕丝,质地轻盈、柔软、光滑 ,具有良好的透气性和保暖性,被广泛应用于纺织 、美容等多个领域,具有极高的经济价值 。
鲜为人知的是,因其独特的生物相容性、可降解性 ,蚕丝在生物医学领域也展现出广阔的应用前景。
蚕丝为什么能用于医疗?这得从蚕丝蛋白说起。
蚕丝蛋白与人体的皮肤、组织有非常好的生物相容性 。简单来说,把蚕丝贴在身上或者植入体内,身体不太会把它当成“异物”来排斥 ,不容易过敏。这一点,是很多合成材料无法比拟的。早在几个世纪之前,蚕丝手术缝线已在临床上得到广泛应用。
想象这样的场景:修复创伤时 ,用蚕丝蛋白制成的温和敷料,能加速愈合且不致敏;手术缝合线在体内自然降解,无需拆线;甚至当眼角膜严重受损 ,一种蚕丝蛋白基的“人工角膜”能被快速移植,助患者重见光明……这不是遥不可及的幻想,而是可以期待的未来 。
作为自然材料 ,蚕丝蛋白能被人体安全地降解和吸收。因此,它在再生医学领域展现出很大的应用潜力,并已被用于软骨 、皮肤、角膜等损伤组织修复的研究。
基于同样原理,还有研究团队通过基因改造技术 ,拓展其在未来生物材料中的应用 。例如,蚕丝蛋白可制成神经导管、血管支架等植入性医疗器械,在体内逐步降解吸收 ,避免二次手术;在药物递送系统中作为载体,实现精准释放,提高疗效;甚至凭借其柔性与生物相容性 ,用于可穿戴设备及人体植入式传感器。
家蚕繁殖快 、成本低,结合基因编辑技术,能低成本、高效率地生产蚕丝蛋白。或许 ,我们很快就能迎来家蚕“工厂”,实现特殊功能蚕丝蛋白生产的商业化 。
家蚕基因图谱:类型全面的“遗传字典 ”
蚕丝蛋白为何那么多特长?如何能让这些特点继续“扬长”?这个话题涉及家蚕基因研究。
家蚕这种昆虫很特别,它是迄今为止唯一被人类完全驯化的昆虫。古有伏羲“化蚕”、嫘祖“教民育蚕 ”的传说 ,“蚕”是中华文明的重要符号,蚕的应用早就与人类生产生活紧紧联系在一起 。
20世纪初,随着杂交蚕种技术的推广,许多地方蚕种因产量低、效益差而面临被淘汰的命运。从经济效益来讲 ,杂交蚕种无疑最具优势;但从生物基因的角度来说,优良基因分散在各个地方蚕种里,一旦地方蚕种消失 ,这些基因就再也无处可寻。
为了保护好 、研究好这种宝贵的生物资源,西南大学资源昆虫高效养殖与利用全国重点实验室经过几十年努力,建立了一个“家蚕基因库” 。这座基因库已活体保存1200余种家蚕遗传资源 ,包含了超1.9万个家蚕基因,覆盖世界已知家蚕遗传变异的90%以上,其中包括天然彩色茧、高抗病性品种、特殊突变系等珍贵资源 ,是国内历史最久 、创新发现最多、世界上保存量最大和类型最全的家蚕基因库。
这只是第一步。
2004年,我们团队绘制完成了世界上第一张家蚕基因组框架图,也是我国科学家继完成人类基因组1%计划、水稻基因组计划之后 ,为人类贡献的第三大基因组成果。2022年,我们又前进了一大步,完成了“千蚕基因组 ”计划,绘制出家蚕超级泛基因组图谱 。
这个成果 ,就像为家蚕编写了一部全面的“遗传字典”。过去,育种多依赖经验与运气。如今借助这部“字典”,我们能精准查找控制蚕丝产量 、强度、韧性乃至降解特性等性状的关键基因 ,可以实现“按需设计 ” 。这也标志着从传统育种迈向基因设计育种的转变。
目前,通过基因编辑技术,我们已培育出能吐天然彩色丝的家蚕 ,以及利用黑白卵色标记性别的新品种。以往培育稳定遗传特定性状的品种,往往需要数年时间,如今依据“遗传字典”可快速实现 。
蜕变机制:循环不息的“生命启示”
当我们的祖先凝视着家蚕 ,他们看到的也不只是丝线。
蚕的一生经历了卵、幼虫(蚕宝宝) 、蛹和成虫(蚕蛾)四个阶段,从“作茧自缚 ”到“破茧成蛾”,充满戏剧性的过程 ,给予古人关于生命的无尽哲思。
古人从蚕的生命循环中领悟生命哲学,今天我们从家蚕基因中探寻长寿的奥秘 。
大家可能想不到,家蚕的基因组中,有大约5500个基因与人类的基因是同源的 ,占了人类基因总数的30%以上。这意味着,我们在蚕身上做的许多研究发现,很可能对人类有直接的启示。
2024年 ,我们团队的代方银教授有一个重要发现:在家蚕体内找到了一个与寿命相关的关键基因——OSER1 。长寿基因FOXO负责叉头框蛋白O的生成,OSER1则是FOXO的靶基因,叉头框蛋白O能够通过调节与衰老相关的基因影响寿命。
通过实验 ,提高这个基因的活性,能显著延长家蚕的寿命。更令人振奋的是,这个机制在果蝇、线虫等其他生物身上也得到了验证。
研究发现 ,90岁以上的长寿老人与年轻对照组相比,检测到OSER1基因中存在49个常见单核苷酸多态性(SNP),其中7个与长寿显著相关 。未来 ,家蚕可能成为研究人类疾病与衰老的“候选模型”之一。这为我们研究抗衰老、开发相关药物,提供了一个全新的靶点和思路。同时,家蚕的“蜕变重生”机制,可能为再生医学带来启示 。
从幼虫到蛹再到蛾 ,家蚕的一生,体内细胞会经历程序性重塑与再生。未来,我们或许能从家蚕身上获取破解器官再生的密码 ,为治疗退行性疾病或损伤修复提供思路和方案。
(作者为中国工程院院士 、西南大学教授 向仲怀,本报记者王欣悦采访整理)
《人民日报》(2026年01月24日 第 06 版)
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