超神奇蜘蛛絲！人類如何突破萬難催生紡織史上超強材質

在電影《蜘蛛人：返校日》（Spiderman: Homecoming）中，「鋼鐵人」東尼史塔克為「蜘蛛人」彼得帕克打造了五花八門的多功能蜘蛛絲武器，而彼得帕克趁著學校實驗室的實驗空檔，也偷偷自行研發了好幾代的蜘蛛絲液。不過在現實世界裡，儘管人類早就清楚蜘蛛絲的神奇妙用，但不論是想要抽取真正的蜘蛛絲，或是透過技術研發生產人造蜘蛛絲，其實都不如想像中的容易。

蜘蛛絲製品的無限延伸
1709年，法國財務大臣François Xavier Bon de Saint Hilaire向當時的法國國王路易十四，獻上一雙由蜘蛛絲製成的銀色長襪，顯然人類早早就在打蜘蛛絲的主意了。

但在18世紀初，有許多技術上的門檻是當年的法國人無法克服的，光是那一雙長襪，得從數百顆蜘蛛卵囊辛苦收集到夠多的絲線再進行編織，François Xavier Bon de Saint Hilaire在隔年寫給英國皇家科學院的信件中指出：「目前唯一的困難在於，要取得足夠數量的蜘蛛卵囊，才能製作任何較大型的物品。」

三個多世紀後的今天，這個問題終於在科技的進步之下得以解決，而且蜘蛛絲製品也終於不再是皇家的專利。來自美國灣區的生物科技公司Bolt Threads，推出限量款的深藍色蜘蛛絲編織領帶。

蜘蛛絲雖然看起來都一樣，但其實蜘蛛在漫長的演化中，為了滿足不同的需求，發展出七種不同性質的絲線。公蟹蛛會在交配前會製造葡萄狀腺絲（aciniform silk）纏住母蟹蛛；母蜘蛛會織出柔軟光滑的管狀卵囊（tubuliform egg sacs）；暗門蜘蛛會製造特殊有黏性的蜘蛛絲球，以構築牠們用層層土壤和蜘蛛絲打造的沈重旋轉門；不過最通用的類型要數壺狀腺絲（ampullate silk），也就是牽引絲，蜘蛛用它們來沿繩下降以及架構蜘蛛網。

將這些不同的蜘蛛絲結合運用，似乎能有各種無限的延伸：蜘蛛絲潛水鐘、蜘蛛絲遮陽傘，甚至是蜘蛛絲迷彩服。而在英國倫敦的維多利亞與亞伯特博物館（Victoria & Albert Museum，V&A Museum）就曾首度展示過一件黃金蜘蛛絲斗篷。這件耗時三年、收集了超過120萬隻母金絲蜘蛛才得以完成的斗篷，原料取得相當不易，每天必須動用60至80不等的人力，在非洲馬達加斯加高地不斷尋找，每隻蜘蛛只會讓它吐出約30至50公尺不等的蜘蛛絲，如此長度的蜘蛛絲大約25分鐘即可取得，等蜘蛛吐完絲後，再將牠們送回野外放生。

原來蜘蛛絲如此神奇
相傳古希臘時期，人們會用蜘蛛卵囊來包紮傷口，新幾內亞的漁夫會將圓蛛的蜘蛛網編織成魚網，但在服裝上的應用，反而是較不強韌的蠶絲取得了絕對優勢。François Xavier Bon de Saint Hilaire認為，這是人類對「如此卑劣的昆蟲」的偏見，但更實際的原因是，蜘蛛難以馴養，「把年幼的蜘蛛飼養在不同隔間中」，François Xavier Bon de Saint Hilaire補充說明，最終下場總是一樣的：牠們會相互攻擊並吃掉彼此。

這固然相當可惜，因為蜘蛛絲是一種相當神奇的材質，它比鋼鐵更堅硬，比防彈纖維Kevlar更有韌性。雖然人類可以相對輕鬆地穿越一個蜘蛛網，但那是因為每條蜘蛛絲的直徑只有千分之三公釐，假如把蜘蛛絲加粗到直徑一公釐，預估那樣的蜘蛛網是足以抓住一台直升機的，就如同它現在捕捉蒼蠅般那麼有效。

除了出了名的堅韌，蜘蛛絲也具有高度延展性，有些蜘蛛絲能夠伸展到五倍的長度都不斷，而且蜘蛛絲極度輕盈，一條長度足以環繞地球一圈的蜘蛛絲，重量只有約一磅（約453.59公克）出頭而已。此外，蜘蛛絲還有防水及抑菌等特性。

這麼好的材質，自然有許多人跟著François Xavier Bon de Saint Hilaire的腳步持續研發，希望能將蜘蛛絲商業化。美國南北戰爭時的一名醫官Burt Green Wilder，因首次使用「神經元」（neuron）這個術語以及收集浸泡在溶液中的大腦而聞名。

當他在南卡羅來納州的Folly Island與非裔美國人組成的第54麻州志願步兵團一起服役時，曾經從一隻大型圓蛛身上取出150碼金絲線。受到啟發的Burt Green Wilder，後來設計了一個小型取絲裝置：一個加裝了鉸鏈的木板，能將蜘蛛的頭和腳固定在一側，而牠的腹部則是在另一側，透過手搖繞線筒取出蜘蛛絲。

但Burt Green Wilder也承認，即便有裝置輔助，要產出足以製作一件洋裝的蜘蛛絲，至少需要超過5,000隻蜘蛛才行。

基因革命催生人造蜘蛛絲
在接下來的一百年，人類依舊拿蜘蛛絲沒辦法，即便不斷改進裝置，就是難以實現規模化生產，直到1990年代，基因科技擁有突破性發展，一切才有所變化。人類找到了製造蜘蛛絲的關鍵DNA，並將此基因移植到其他的生物上，從此我們不再需要蜘蛛牧場，基因改造的大腸桿菌、酵母菌、菸草植物、甚至山羊都能夠製造蜘蛛絲了。

雖然現在已經不需要活蜘蛛，但真正麻煩的事情還在後頭，積極研發人造蜘蛛絲的新創科技公司Bolt Threads執行長暨共同創辦人Dan Widmaier表示，公司是使用啤酒酵母製造蜘蛛絲，將它放在裝有水和糖的不鏽鋼容器中發酵，這是個相當簡單明嘹的設置。

但編碼製造蜘蛛絲的基因序列，在組成DNA的四個分子中，幾乎就佔了兩個，也就是說，它們高度重複，而且很容易被破壞。修補那些序列，好讓酵母能生成不同的絲蛋白，Dan Widmaier說，這個過程是「很痛苦的」，他們自2009年公司成立至今，至少試了4,000種排列組合才找到正確的序列。

蛋白質對了，接下來的問題就是如何將這些蛋白質以一種高品質與純度的流體形式作為紡織的原料。為了不讓所有人還得從一個個細胞中進行萃取，Bolt Threads又調整了酵母的基因，讓酵母自己把蛋白質釋放出來。

絲蛋白從Bolt Threads發酵槽中的酵母糖水分離後，被純化成粉狀，這些粉末接著會混入一種溶劑，直到它呈現有如橡膠膠水般的黏性，這個膠狀的黏糊物體便是一般所稱的紡絲液，經紡絲機噴出後製作成纖維。

Dan Widmaier指出，在紡紗的過程中，有許多繁瑣的平凡事物都可能會出錯。不論是任何蛋白質純度、黏稠度、酸鹼值和溫度的細微調整，都可能讓紡絲液形成小圓珠，而不是絲線，也會因此讓機台堵塞。

也因此，目前蜘蛛絲領帶的產量還不算太高，這一波製作的50條領帶，每條領帶都用了超過90公里長的蜘蛛絲。

Bolt Threads並不是現在唯一一間運用基因工程生產人造蜘蛛絲的公司。與它同期的還有一家位於美國猶他州的生物科技公司Biosteel，他們想從基因改造的山羊乳汁中萃取蜘蛛絲蛋白，但最後卻不幸破產。2016年，日本的Spiber用大腸桿菌為The North Face製作了一件實驗性的蜘蛛絲派克大衣，來自德國的生物材質公司AMSilk也與Adidas合作，開發出蜘蛛絲編織的運動鞋。

雖然產量少到要用抽籤的方式決定誰能購買，但Bolt Threads是第一間真正達成蜘蛛絲商業化應用的公司，儘管目前這條領帶並未堅韌如鋼鐵，無法防彈、無法防水，也不具有超級的彈性，但他們已經開始與美國戶外用品品牌Patagonia攜手研發更多的相關產品。

現今紡織印染所產生的廢水，佔全球工業廢水污染的五分之一，Bolt Threads目前正在研究如何讓酵母菌分泌有色絲蛋白，這樣就能夠省去染整的步驟，減少對環境的污染。

Bolt Threads的野心不只在蜘蛛絲而已，Dan Widmaier表示，「最終我們製作的蛋白質纖維，它所擁有橫切面、質感和特性，讓它摸起來幾乎就像你想要的任何材質—羊毛、尼龍或是全新的材質。」或許未來這種生物絲還可以拿來製作軍隊盔甲，或用來包裝特殊化學藥品，但Dan Widmaier的夢想很簡單：一件更好、更耐穿、更舒服的長袖毛衣。「我知道這不是太空升降梯，但這是我真正感到興奮的事物。」

責任編輯：Linden Chen、Ivana Yang
資料來源：The New Yorker、索尼影業、Shutterstock、Bolt Threads