許多科學家都渴望了解蜘蛛紡絲的非凡能力，這種絲線具有極高的強度、重量和柔韌性。事實上，蜘蛛絲的強度比鋼鐵還要高，比凱夫拉縴維還要堅韌。然而，目前還沒有人能夠複製蜘蛛的工作。

南丹麥大學的生物物理學家伊琳娜-伊阿奇娜（Irina Iachina）拿著金色球網蛛生產的絲纖維。圖片來源：Anders Boe/南丹麥大學

如果我們能夠研製出具有這些特性的合成材料，那麼一個全新的世界就有可能出現： 人造蜘蛛絲可以在工業中取代凱夫拉爾、聚酯纖維和碳纖維等材料，例如用於製造輕質柔韌的防彈背心。

南丹麥大學（SDU）生物化學與分子生物學系的博士後、生物物理學家伊琳娜-伊奇娜（Irina Iachina）參與了這場尋找超級蛛絲配方的競賽。她在南丹麥大學攻讀碩士學位時就對蜘蛛絲非常著迷，目前她正在波士頓麻省理工學院研究這一課題，並得到了Villum 基金會的支持。

南丹麥大學生物物理學家伊琳娜-伊奇娜（Irina Iachina）在電腦上研究蜘蛛絲。圖片來源：Anders Boe/南丹麥大學

作為研究的一部分，她正在與南丹麥大學的副教授、生物物理學家喬納森-布魯爾（Jonathan Brewer）合作，後者是使用各種顯微鏡窺視生物結構的專家。

現在，他們首次共同使用光學顯微鏡研究了蜘蛛絲的內部結構，而無需以任何方式切割或打開蜘蛛絲。這項研究成果現已發表在《科學報告》和《掃描》雜誌上。

喬納森-布魯爾解釋說：”我們使用了幾種先進的顯微鏡技術，還開發了一種新型光學顯微鏡，可以讓我們一直觀察到纖維內部的情況。”

金眶網蜘蛛從後部生產蠶絲。圖片來源：Anders Boe/南丹麥大學

迄今為止，人們已經利用各種技術對蜘蛛絲進行了分析，所有這些技術都提供了新的見解。然而，正如喬納森-布魯爾（Jonathan Brewer）指出的那樣，這些技術也有缺點，因為它們通常需要將絲線（也稱纖維）剪開，以獲得用於顯微鏡檢查的橫截面，或者冷凍樣品，這可能會改變絲纖維的結構。

伊琳娜-伊阿奇娜（Irina Iachina） 說：”我們希望研究未經切割、冷凍或任何操作的純淨纖維。”為此，研究小組使用了相干反斯托克斯拉曼散射、共聚焦顯微鏡、超分辨共聚焦反射熒光損耗顯微鏡、掃描氦離子顯微鏡和氦離子濺射等侵入性較小的技術。

不同的研究顯示，蜘蛛絲纖維至少由兩層外層脂質（即脂肪）組成。在它們的後面，即纖維的內部，有許多所謂的纖維絲，這些纖維絲呈直線排列，緊密地並排在一起（見插圖）。纖維的直徑在100 到150 之間，低於普通光學顯微鏡的測量極限。

《科學報告》論文中的插圖： 本研究中發現的蜘蛛絲纖維的擬議結構示意圖（不按比例）。(A）纖維側視圖，（B）纖維橫截面。外層是非導電的富脂層（綠色），厚度在0.6 至1 微米之間，內層是兩個導電的自發熒光蛋白層：一個是FITC 親和力較強的蛋白層（藍色），另一個是羅丹明B 親和力較強的蛋白層（橙色）。內部蛋白質核心由結晶纖維組成，平行於纖維長軸排列，周圍是無定形的蛋白質區域。圖片來源：南丹麥大學伊奇納/布魯爾。

伊阿奇娜說：”它們並沒有像人們想像的那樣扭曲，因此我們現在知道，在嘗試製造合成蜘蛛絲時，沒有必要扭曲它們。”

伊奇娜和布魯爾使用的蛛絲纖維來自馬達加斯加金眶蜘蛛（Nephila Madagascariensis），這種蜘蛛生產兩種不同類型的蛛絲： 一種被稱為MAS（Major Ampullate Silk fibers），用於構建蜘蛛網，也是蜘蛛用來懸掛的絲，算得上蜘蛛的生命線；它非常結實，直徑約為10 微米。

另一種被稱為MiS（Minor Ampullate Silk 纖維），是建築的輔助材料。它更具彈性，直徑通常為5 微米。根據兩人的分析，MAS 絲含有直徑約為145 納米的纖維。而MiS 的直徑約為116 納米。每條纖維都由蛋白質組成，其中涉及多種不同的蛋白質。這些蛋白質是蜘蛛在製造絲纖維時產生的。

了解它們如何製造出如此強韌的纖維非常重要，但製造這種纖維也具有挑戰性。因此，該領域的研究人員通常依靠蜘蛛為他們生產蠶絲。

或者，他們也可以求助於計算方法，這正是伊琳娜-伊奇娜目前在麻省理工學院從事的工作：”現在，我正在對蛋白質如何轉化為絲綢進行計算機模擬。當然，我們的目標是學習如何生產人造蛛絲，但我也有興趣幫助人們更好地了解我們周圍的世界。”