蠶絲不僅能織就華服，更能化身創(chuàng)傷修復(fù)敷料加速愈合、制成“人工角膜”助患者重見光明。小小家蠶為何藏著如此神奇的應(yīng)用潛力？人民日報(bào)本期“院士講科普”特邀中國工程院院士、著名蠶學(xué)專家、西南大學(xué)教授向仲懷，帶大家走進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)視野中的家蠶世界，解鎖其背后的科學(xué)密碼。
▲向仲懷（左一）指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
蠶絲蛋白：極具想象力的“智慧材料”
蠶絲，質(zhì)地輕盈、柔軟、光滑，具有良好的透氣性和保暖性，被廣泛應(yīng)用于紡織、美容等多個(gè)領(lǐng)域，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
鮮為人知的是，因其獨(dú)特的生物相容性、可降解性，蠶絲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
蠶絲為什么能用于醫(yī)療？這得從蠶絲蛋白說起。
蠶絲蛋白與人體的皮膚、組織有非常好的生物相容性。簡單來說，把蠶絲貼在身上或者植入體內(nèi)，身體不太會(huì)把它當(dāng)成“異物”來排斥，不容易過敏。這一點(diǎn)，是很多合成材料無法比擬的。早在幾個(gè)世紀(jì)之前，蠶絲手術(shù)縫線已在臨床上得到廣泛應(yīng)用。
想象這樣的場景：修復(fù)創(chuàng)傷時(shí)，用蠶絲蛋白制成的溫和敷料，能加速愈合且不致敏；手術(shù)縫合線在體內(nèi)自然降解，無需拆線；甚至當(dāng)眼角膜嚴(yán)重受損，一種蠶絲蛋白基的“人工角膜”能被快速移植，助患者重見光明……這不是遙不可及的幻想，而是可以期待的未來。
作為自然材料，蠶絲蛋白能被人體安全地降解和吸收。因此，它在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力，并已被用于軟骨、皮膚、角膜等損傷組織修復(fù)的研究。
基于同樣原理，還有研究團(tuán)隊(duì)通過基因改造技術(shù)，拓展其在未來生物材料中的應(yīng)用。例如，蠶絲蛋白可制成神經(jīng)導(dǎo)管、血管支架等植入性醫(yī)療器械，在體內(nèi)逐步降解吸收，避免二次手術(shù)；在藥物遞送系統(tǒng)中作為載體，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)釋放，提高療效；甚至憑借其柔性與生物相容性，用于可穿戴設(shè)備及人體植入式傳感器。
家蠶繁殖快、成本低，結(jié)合基因編輯技術(shù)，能低成本、高效率地生產(chǎn)蠶絲蛋白。或許，我們很快就能迎來家蠶“工廠”，實(shí)現(xiàn)特殊功能蠶絲蛋白生產(chǎn)的商業(yè)化。
家蠶基因圖譜：類型全面的“遺傳字典”
蠶絲蛋白為何那么多特長？如何能讓這些特點(diǎn)繼續(xù)“揚(yáng)長”？這個(gè)話題涉及家蠶基因研究。
家蠶這種昆蟲很特別，它是迄今為止唯一被人類完全馴化的昆蟲。古有伏羲“化蠶”、嫘祖“教民育蠶”的傳說，“蠶”是中華文明的重要符號，蠶的應(yīng)用早就與人類生產(chǎn)生活緊緊聯(lián)系在一起。
20世紀(jì)初，隨著雜交蠶種技術(shù)的推廣，許多地方蠶種因產(chǎn)量低、效益差而面臨被淘汰的命運(yùn)。從經(jīng)濟(jì)效益來講，雜交蠶種無疑最具優(yōu)勢；但從生物基因的角度來說，優(yōu)良基因分散在各個(gè)地方蠶種里，一旦地方蠶種消失，這些基因就再也無處可尋。
為了保護(hù)好、研究好這種寶貴的生物資源，西南大學(xué)資源昆蟲高效養(yǎng)殖與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過幾十年努力，建立了一個(gè)“家蠶基因庫”。這座基因庫已活體保存1200余種家蠶遺傳資源，包含了超1.9萬個(gè)家蠶基因，覆蓋世界已知家蠶遺傳變異的90%以上，其中包括天然彩色繭、高抗病性品種、特殊突變系等珍貴資源，是國內(nèi)歷史最久、創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)最多、世界上保存量最大和類型最全的家蠶基因庫。
這只是第一步。
2004年，向仲懷教授團(tuán)隊(duì)繪制完成了世界上第一張家蠶基因組框架圖，也是我國科學(xué)家繼完成人類基因組1%計(jì)劃、水稻基因組計(jì)劃之后，為人類貢獻(xiàn)的第三大基因組成果。2022年，他們又前進(jìn)了一大步，完成了“千蠶基因組”計(jì)劃，繪制出家蠶超級泛基因組圖譜。
這個(gè)成果，就像為家蠶編寫了一部全面的“遺傳字典”。過去，育種多依賴經(jīng)驗(yàn)與運(yùn)氣。如今借助這部“字典”，他們能精準(zhǔn)查找控制蠶絲產(chǎn)量、強(qiáng)度、韌性乃至降解特性等性狀的關(guān)鍵基因，可以實(shí)現(xiàn)“按需設(shè)計(jì)”。這也標(biāo)志著從傳統(tǒng)育種邁向基因設(shè)計(jì)育種的轉(zhuǎn)變。
目前，通過基因編輯技術(shù)，他們已培育出能吐天然彩色絲的家蠶，以及利用黑白卵色標(biāo)記性別的新品種。以往培育穩(wěn)定遺傳特定性狀的品種，往往需要數(shù)年時(shí)間，如今依據(jù)“遺傳字典”可快速實(shí)現(xiàn)。
蛻變機(jī)制：循環(huán)不息的“生命啟示”
當(dāng)我們的祖先凝視著家蠶，他們看到的也不只是絲線。
蠶的一生經(jīng)歷了卵、幼蟲（蠶寶寶）、蛹和成蟲（蠶蛾）四個(gè)階段，從“作繭自縛”到“破繭成蛾”，充滿戲劇性的過程，給予古人關(guān)于生命的無盡哲思。
古人從蠶的生命循環(huán)中領(lǐng)悟生命哲學(xué)，今天他們從家蠶基因中探尋長壽的奧秘。
大家可能想不到，家蠶的基因組中，有大約5500個(gè)基因與人類的基因是同源的，占了人類基因總數(shù)的30%以上。這意味著，他們在蠶身上做的許多研究發(fā)現(xiàn)，很可能對人類有直接的啟示。
2024年，團(tuán)隊(duì)的代方銀教授有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：在家蠶體內(nèi)找到了一個(gè)與壽命相關(guān)的關(guān)鍵基因——OSER1。長壽基因FOXO負(fù)責(zé)叉頭框蛋白O的生成，OSER1則是FOXO的靶基因，叉頭框蛋白O能夠通過調(diào)節(jié)與衰老相關(guān)的基因影響壽命。
通過實(shí)驗(yàn)，提高這個(gè)基因的活性，能顯著延長家蠶的壽命。更令人振奮的是，這個(gè)機(jī)制在果蠅、線蟲等其他生物身上也得到了驗(yàn)證。
研究發(fā)現(xiàn)，90歲以上的長壽老人與年輕對照組相比，檢測到OSER1基因中存在49個(gè)常見單核苷酸多態(tài)性（SNP），其中7個(gè)與長壽顯著相關(guān)。未來，家蠶可能成為研究人類疾病與衰老的“候選模型”之一。這為他們研究抗衰老、開發(fā)相關(guān)藥物，提供了一個(gè)全新的靶點(diǎn)和思路。同時(shí)，家蠶的“蛻變重生”機(jī)制，可能為再生醫(yī)學(xué)帶來啟示。
從幼蟲到蛹再到蛾，家蠶的一生，體內(nèi)細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷程序性重塑與再生。未來，他們或許能從家蠶身上獲取破解器官再生的密碼，為治療退行性疾病或損傷修復(fù)提供思路和方案。
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