比较不同种类蚕丝的结构:探究蚕丝结构和性能的关系

近年来蚕丝因其具有良好的机械性能、生物相容性和潜在的应用价值在生物医学领域引起了广泛关注。然而,对蚕丝分子结构的研究和对蚕丝良好机械性能与蚕丝蛋白结构间关系的探究仍太少。美国亚利桑那州立大学的GUOC等研究者比较了4种家蚕品系(家蚕、柞蚕、蓖麻蚕、琥珀蚕)的蚕丝结构。比较不同种类蚕丝的形态、机械性能、氨基酸组成、纳米结构和分子结构用到的技术包括扫描电子显微镜、同步辐射X-射线、傅里叶变换光谱学和核磁共振。并且,GUOC等研究者通过将蚕丝分子结构特征和机械性能关联对蚕丝结构-性能的关系进行了讨论。结果显示蚕丝中大量的β-折叠结构和高结晶度使其具有很高的杨氏模量,而当β-折叠结构很少时,蚕丝就具有很好的延展性。     

基因组编辑开启家蚕研究新纪元

蚕桑丝绸产业的主体产品是蚕丝,蚕丝性能改良的技术创新之于蚕桑丝绸产业的重要性和迫切性,尤其体现在蚕丝遗传改良相关的生物技术上。近年来,锌指核酸酶(ZFN)、类转录激活效应子核酸酶(TALEN)和成簇规律间隔短回文重复序列系统(CRISPR/Cas9)等基因组编辑技术的产生与发展,已经在生命科学基础理论研究、经济物种的遗传改造以及人类疾病的预防与治疗等领域掀起了一场如火如荼的革命。在家蚕基因组生物学国家重点实验室的研究团队和中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所、日本国立农业生物资源研究所等国内外同仁的努力下,家蚕的研究也紧跟时代潮流,建立了基因组编辑技术体系,并跻身于众多模式生物基因组编辑技术的前沿阵列。更为可喜的是,部分家蚕基因组编辑的论文发表以后,得到了生命科学界、蚕桑丝绸业界和政府相关部门对蚕业科技的极大关注,其中有多篇SCI论文被高频次引用,蚕桑丝绸业界长期关注和难以解决的蚕丝遗传改良、丝腺生物反应器等问题在基因组编辑技术的介入后有望得到快速突破。本文就家蚕基因组编辑技术带给传统蚕桑丝绸产业的机遇,以及该项技术的发展、应用现状和前景作简要总结,以供研究者借鉴和参考。     

家蚕转基因技术的应用研究

家蚕(Bombyx mori)是重要的经济昆虫,也是生物学研究的模式生物之一,中国在2004年率先发布家蚕基因组框架图,为中国在家蚕分子生物学领域占领了一个制高点。继框架图之后,进行转基因家蚕研究具有重要的理论意义和实用价值,这不仅可以帮助我们了解家蚕基因的结构、功能及表达调控的机制,同时也为研究家蚕生物反应器生产目的蛋白,培育家蚕抗病性新品种,改善蚕丝质量等提供了新的技术途径。本文将重点从家蚕功能基因组的研究、家蚕丝腺生物反应器的应用研究及转基因技术培育家蚕新品种三个方面对家蚕转基因技术的应用进行介绍。随着家蚕转基因技术的深入研究,转基因家蚕技术及产物将会在未来有着更广阔的应用前景。     

基于同源重组的产绿色荧光蚕丝转基因家蚕的制备

采用基因打靶技术对家蚕丝素蛋白基因(fib)进行分子设计与遗传改造,探讨从基因水平改良蚕丝性能的可行性。以家蚕丝素轻链基因(fib-L)终止密码子TAA上游1.2 kb(fib-LL)和下游0.5 kb(fib-LR)片段作为基因打靶载体的左右同源臂,将绿色荧光蛋白基因(gfp)插入到两同源臂的中间,并使其与fib-L基因处于同一读码框,构建基因打靶载体pSK-FibL-L-GFP-FibL-R。将该载体质粒转染BmN细胞后,荧光显微镜下观察细胞呈现绿色荧光,表明载体构建成功。将该载体质粒通过精子介导法导入家蚕品种高白的卵,在G0代筛选出茧呈绿色荧光的家蚕,并通过PCR检测证实其为转基因家蚕;用GFP抗体对G3代转基因家蚕幼虫后部丝腺组织进行Western blotting检测,有分子质量为65 kD的Fib-L-GFP融合蛋白特异性条带呈现。转基因家蚕所产蚕丝在蓝光的激发下发出绿色荧光,表明通过基因打靶将gfp导入了家蚕丝素轻链基因中,并成功实现融合表达。     

家蚕生物反应器的研究概述

家蚕生物反应器在生产活性成分、表达外源基因、改善蚕丝性能等方面,具有很高的开发利用价值。本文概述了家蚕幼虫反应器、家蚕NPV表达系统反应器、转基因家蚕反应器、家蚕丝腺反应器的研究状况。     

基于添食上转换纳米颗粒制备近红外激发荧光家蚕丝纤维

家蚕蚕丝蛋白是一种环保、生物安全的材料,而上转换纳米颗粒(upconversion nanoparticles, UCNPs)因其具有生物相容性好、稳定性优、荧光强度高等特点,常被用于医疗、环境监测等领域。为拓展蚕丝纤维的多元化应用,文中通过家蚕添食UCNPs,制备了近红外激光照射下发出荧光的蚕丝纤维。结果表明,经添食后的家蚕吐出的蚕丝纤维,可在980 nm波长的光线激发下发射高强度的绿色荧光。同时,该荧光蚕丝纤维具有优良的力学性能,可与聚多巴胺协同作用,对环境中的氧化剂进行灵敏检测。文中研究对于开发新型荧光蚕丝材料提供了新的思路。     

家蚕遗传密码的扩展可以强化蚕丝纤维功能

细菌和动物细胞中的遗传密码已经被扩展,致使可以将新的氨基酸加入蛋白质中。在最近的研究中,线虫、苍蝇和老鼠的遗传密码得以扩展,然而这种改造在工业动物上的应用却很少。日本国家农业和食品研究组织的TERAMOTO H等学者拓展了家蚕的遗传密码,合成了一种以偶氮苯丙氨酸为原料的蚕丝纤维。为此,研究者开发了一种细菌系统来筛选家蚕中已经改变了氨基酸特异性的苯丙氨酰合成酶。研究者构建了4个家蚕转基因系,可以在丝腺中表达所改造的变异合成酶,结果发现其中两种转基因系能有效地将偶氮苯丙氨酸合成为蚕丝纤维,所获得的蚕丝与荧光分子具有生物正交性。研究结果表明,在工业动物中遗传密码的扩展可以通过细菌系统来筛选,以促进具有新特性的蚕丝纤维的产生。     

转基因蚕丝丝素膜的制备与性能表征

以转入蜘蛛丝蛋白基因的转基因家蚕的蚕丝为材料,用普通的流延成膜法即可将转基因蚕丝丝素溶液制备成丝素膜。以分别加入或未加入1%甘油的转基因蚕丝丝素膜和普通蚕丝丝素膜作为测试样品,通过傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)、X射线衍射光谱(XRD)及机械性能测试和扫描电子显微镜(SEM)观察等手段表征转基因蚕丝丝素膜的结构与性能变化。与含1%甘油的普通蚕丝丝素膜比较,含1%甘油的转基因蚕丝丝素膜仍旧含有较多的无规卷曲和α螺旋结构,膜的表面较为粗糙,水蒸气透过量增加了15%~20%,水中溶失率略有增加(为22%),应变增加了1倍左右(为38.5%),耐久性也更优(为164次±11次)。此外,转基因蚕丝丝素膜和普通蚕丝丝素膜与1%甘油共混后,膜的结构和性能均得到明显改善。研究结果表明,含蜘蛛丝蛋白的转基因蚕丝丝素膜的结构较松散,表面孔隙变大,力学性能改善,更具有作为生物医用材料应用的优势。     

家蚕丝素重链表达系统表达外源蛋白的应用研究进展

家蚕丝腺拥有出色的丝蛋白合成能力，家蚕又具有容易饲养、生长周期短等优点，利用家蚕丝腺来生产大量有价值的蛋白，生产出的重组蛋白可在生物、医药、材料学等领域广泛应用，所以家蚕丝腺是一种理想的生物反应器。高效表达系统的构建是家蚕丝腺生物反应器产生重组蛋白的关键步骤之一。为了构建出更加优良的表达系统，结合国内外研究进展，对家蚕丝素重链表达系统的建立、发展与应用情况进行综述，为该系统的深入研究与应用提供参考。     

家蚕茧丝纤度的研究现状及相关探究

蚕丝作为重要的天然蛋白质纤维,在人类的生产和生活中被广泛的应用。而茧丝纤度是家蚕品种丝质性状之一,也是衡量茧质价值的重要标准。迄今为止,对于家蚕品种及雌雄间茧丝纤度的差异等相关研究较多,但在家蚕茧丝纤度性状基因效应及形成机制等前沿基础领域的研究还有很大不足,有待加强研究力度。     

蚕丝/石墨烯复合物的研究及应用

石墨烯的发现在材料领域掀起一阵热潮。由于具有轻而薄、强度大、透明度好、导热导电性能绝佳等优点,石墨烯及石墨烯基材料被很快应用于电子、航天、能源和生物医药领域的研究。通过不同的方法,可制备成多种不同的石墨烯/蚕丝复合物。本文对近年来各种石墨烯/蚕丝复合物的研究进行综述,总结不同复合物及其制备方法的特点,以及通过不同的方法制备的复合物在生物传感器、电容电极及载药等领域的应用,讨论了各种制备的蚕丝/石墨烯复合物的应用前景,并简要分析了蚕丝/石墨烯复合物未来可能的重点研究方向。     

从测序到编辑：家蚕基因组研究再获突破

家蚕是一种重要的经济昆虫、文化载体和模式生物，其不但在蚕丝产业的发展和丝绸之路的文化传播中做出了卓越的贡献，在蚕丝纤维新材料、生物反应器和模式生物中也逐渐凸显出广阔的应用前景。为了对家蚕进行更深入的研究和利用，西南大学夏庆友教授领衔的家蚕基因组研究团队率先开展了家蚕基因组研究，并于2004年和2009年先后在《science》杂志上公布家蚕基因组图谱和家蚕遗传变异图谱。在该研究的推动下，团队在功能基因组研究、家蚕转基因和家蚕生物反应器方面取得了显著的进展，家蚕的研究也受到越来越广泛的关注。但是，家蚕要成为全世界公认的生物反应器和模式生物，依然有很长的路要走，其中最重要的一步就是定点敲除和敲入等基因组编辑技术的建立。     

家蚕育种之拙见

家蚕品种的改良是蚕业科技进步的核心，也是发展蚕丝业最经济有效的手段。目前家蚕育种存在遗传基因贫乏，育种技术单一、育种经费缺乏、育种队伍脱节等突出问题。因此，本文在育种遗传资源、育种目标、育种技术和育种环境等方面，提出了加强家蚕遗传资源的利用和基础家蚕品种资源的创造、根据蚕丝生产发展的需要制定正确的育种目标、积极探索新技术在家蚕育种中的应用、增加对家蚕育种工作的投入、稳定发展家蚕育种队伍、强化家蚕育种区域合作等意见，达到推动家蚕育种事业的进步和发展的目的。     

表达Ⅰ型类人胶原蛋白和脯氨酰4-羟化酶α-蛋白的转基因家蚕品系构建

家蚕丝腺具有高效合成与分泌蚕丝蛋白质的能力,探究利用转基因方法开发家蚕丝腺为生物反应器生产高附加值外源蛋白质的技术途径。将Ⅰ型类人胶原蛋白基因(HCool-Ⅰ)和胶原蛋白羟基化修饰所必需的脯氨酰4-羟化酶α-亚基基因(BmP 4Hα)通过piggyB ac转座子及显微注射方法,同时转入家蚕早期胚胎,在丝素轻链基因fib-L启动子驱动下转入的2个外源基因在家蚕幼虫后部丝腺获得表达。利用反向PCR和生物信息学等方法鉴定、分析转基因家蚕基因组中有19个外源piggyB ac的整合位点,分别位于基因的外显子区域、内含子区域和基因间区,可定位至家蚕的15条染色体上。实时荧光定量PCR检测不同整合位点的转基因家蚕品系幼虫后部丝腺中HCool-Ⅰ基因mRNA转录量存在极显著差异,转录量最高和最低的品系间相差23倍左右;转基因家蚕后部丝腺中BmP 4Hα基因mRNA的转录量比野生型家蚕高出2万多倍。利用SDS-PAGE检测转基因家蚕G3代5龄5 d幼虫的后部丝腺总蛋白质在55 kD和64 kD处分别存在特异性蛋白条带,表明BmP 4Hα和HCool-Ⅰ蛋白已在G3代转基因家蚕丝腺中获得表达。     

从测序到编辑:家蚕基因组研究再获突破

<正>家蚕是一种重要的经济昆虫、文化载体和模式生物,其不但在蚕丝产业的发展和丝绸之路的文化传播中做出了卓越的贡献,在蚕丝纤维新材料、生物反应器和模式生物中也逐渐凸显出广阔的应用前景。为了对家蚕进行更深入的研究和利用,西南大学夏庆友教授领衔的家蚕基因组研究团队率先开展了家蚕基因组研究,并于2004年和2009年先后在《Science》杂志上公布了家蚕基因组图谱和家蚕遗传变异图谱。在该研究的推动下,该团队在功能基因组研究、家蚕转基因和家蚕生物反应器方面取得了显著的进展,家蚕的研究也受     

家蚕与蓖麻蚕的杂交试验(摘要)

在几千年的蚕丝生产中,应用常规杂交技术育出了千百个家蚕新品种,为蚕丝业的发展作出了巨大贡献,无疑地,它还将在今后的育种实践中发挥重要的作用。但是,由于常规杂交育种技术的局限性,积极开发包括种间杂交在内的家蚕育种新技术,乃是进一步发展蚕丝生产的一项重要任务。家蚕(蚕蛾科)和蓖麻蚕(大蚕蛾科)属不同科昆虫;家蚕与蓖麻蚕杂交(超远缘杂交)的研究还有着重要的理论意义。目前,有关蚕的种间杂交研究尚处初始阶段(Deodikar等,1977;钱惠田等,1981;张果,1986)。蚕类     

黑寡妇蜘蛛牵引丝单一多聚序列对蚕丝性能改良的研究

蚕丝性能的优劣决定了蚕丝的价值和使用领域。本研究人工设计和构建了包含蜘蛛丝MaSp1基因中的32倍type1序列(32×MT1)和红色荧光蛋白表达框的piggyBac转基因质粒pBac[DsRed-32×MT1],通过显微注射家蚕品种兰10蚕卵获得了能够稳定遗传的转基因家蚕品系pBac-32×MT1。经荧光显微镜筛选、插入位点分析、mRNA表达丰度检测以及茧壳蛋白检测,证明了转基因家蚕能够表达融合了蛛蛛丝蛋白和轻链蛋白的重组丝。扫描电镜观察显示,转基因家蚕茧壳和丝纤维表面的形态和结构与野生型蚕品种兰10相近。傅里叶转换红外光谱去卷积分析表明,转基因家蚕丝蛋白二级结构中与丝应力有关的β折叠含量达到63.6%,而野生型品种兰10丝蛋白的β折叠含量约为20%。蚕丝机械性能测定表明,转基因家蚕蚕丝的应力、应变和韧性比野生型家蚕丝分别提升了27.7%、10.7%和45.2%。上述结果表明,在家蚕基因组中导入MaSp1基因的type1单一多聚序列能显著增强重组丝的综合力学性能。     

蚕丝纤维力学性能改良研究取得新进展

<正>近日,家蚕基因组生物学国家重点实验室夏庆友教授领衔的家蚕功能基因组研究团队在美国化学协会(American Chemical Society)主办的生物高分子材料学国际权威杂志《Biomacromolecules》(最新JCR影响因子为5.75)上,在线发表了题为"Modifying the mechanical properties of silk fiber by genetically disrupting the ionic environment for silk formation"的研究论文,详述了该研究团队在蚕丝纤维力学性能改良方面取得的最新研究成果。     

重要外文学术期刊发表蚕学论文简介

正1 YAZAWA K,ISHIDA K,MASUNAGA H,HIKIMA T,NUMATA K.Influence of water content on theβ-sheet formation,thermal stability,water removal and mechanical properties of silk materials.Biomacromolecules,2016,17(3):1057-1066题目水分含量对家蚕丝素蛋白膜的热稳定性和脱水性能及机械性能的影响摘要家蚕丝具有卓越的机械性能且质地轻盈,通常作为纺织服饰材料,而要将家蚕丝作为一种结构材料应用于工业领域,则需对其热性能、机械性能等进行深入研究。已知水分子会影响蚕丝的玻璃态转化,但水分含量对蚕丝其他热性能的影响尚不清楚。日本理化研究所YAZAWA等以家蚕丝为材料制备了不同水分含量的丝素蛋白膜,调查水分含量对丝素蛋白膜的结晶度、热失重性能及脱水过程的影响。热失重分析表明,     

家蚕模式化研究进展

建立具有中国特色的新型模式生物系统,是我国模式生物研究与发展的重要方向之一。家蚕(Bombyx mori)不仅具备模式生物的基本要素,而且还有其突出的特点和优势,2002年国际无脊椎动物协会正式将家蚕确定为鳞翅目模式昆虫。家蚕代表了生物界的一个大类群,易于在实验室内饲养和繁殖,世代短,子代群体大,遗传背景清楚,便于进行实验操作,并且遗传资源丰富,具有悠久的基础研究历史和现代科学研究基础,所以家蚕作为实验动物,在经典遗传学、动物遗传学、发育生物学、细胞生物学、昆虫免疫学、鳞翅目害虫防治、环境监测乃至医药学等研究领域受到广泛的关注。家蚕是少数完成基因组计划从框架图到精细图、重测序的代表物种,家蚕生物信息资源及分析平台以及功能基因鉴定和功能分析的平台日趋完善,使家蚕已经成为基因组学研究的典型范例之一。后基因组时代即使一个科学目标也有多种模式生物进行综合化分析,新的模式生物系统将逐渐形成。中国家蚕基因组计划推动了家蚕模式生物系统化的研究。建立具有中国特色的家蚕模式生物系统,并推进在鳞翅目害虫防治、人类疾病模型、医药筛选及环境检测等领域的实际应用,将有助于我国生命科学和生物产业相关领域形成优势竞争力。