[0001] 本申请是申请日为2016年3月16日、申请号为201680028088.5、发明名称为“改善的丝纤维”的申请的分案申请。

[0002] 相关申请数据

[0003] 本申请要求2015年3月16日提交的美国临时申请序列号62/133,895的权益，其全部公开内容出于所有目的通过引用的方式并入本文。

[0004] 本公开总体而言涉及由蜘蛛丝蛋白质生产的丝纤维。具体而言，本公开涉及改善的蜘蛛丝蛋白质。

[0005] 背景

[0006] 由于商业规模制造的困难性以及生产可制成线、纱线或其他纤维的纤维的技术挑战，由蜘蛛丝中的多肽合成的聚合纤维是商业上不可获得的。

[0007] 天然蜘蛛丝蛋白质是大型(>150kDa，>1000个氨基酸)多肽，可分成三个结构域：N‑末端非重复结构域(NTD)、重复结构域(REP)和C‑末端非重复结构域(CTD)。重复结构域包括
约90％的天然多肽，而NTD和CTD相对较小(分别为～150、～100个氨基酸)。NTD和CTD被充分
研究，并且认为其赋予整个多肽链水稳定性、pH敏感性和聚集时的分子排列。

[0008] 单个蜘蛛物种产生多种纤维，它们每种用于不同的功能。这些不同的功能的实例包括牵引丝、网状捕捉螺旋线(web capture spirals)、猎物固定和保护卵囊的丝。牵引丝
具有出色的机械特性。就它们的重量和直径而言，它们非常强力，并且还展示出高延伸性和
高极限拉伸强度的组合。

[0009] 氨基酸组成和蛋白质结构在蜘蛛丝类型和蜘蛛物种之间变化相当大。例如，圆网蜘蛛具有六种独特类型的腺体，其产生不同的丝多肽序列，这些丝多肽序列聚合为被裁制
为符合环境或生命周期生态位的纤维。根据纤维所来源的腺体对纤维命名，并且用腺体缩
写标记多肽，例如蛛丝蛋白(蜘蛛丝蛋白的简称)为“Sp”。在圆网蜘蛛中，实例包括大壶状腺
(Major Ampullate，MaSp，也称为牵引丝)、小壶状腺(Minor Ampullate，MiSp)、鞭状腺
(Flagelliform，Flag)、葡萄状腺(Aciniform，AcSp)、管状腺(Tubuliform，TuSp)和梨状腺
(Pyriform，PySp)。

[0010] 存在一种共同类型的圆网MaSp牵引丝(例如络新妇蜘蛛(Nephila clavipes)MaSp1)，其中重复结构域含有与纤维的非晶区域(可能含有α螺旋和β转角)有关的富甘氨酸
区域和与纤维的β折叠结晶区域相关的聚丙氨酸区域。氨基酸组成和序列以及纤维形成细
节均影响纤维的机械特性。

[0011] 尽管认为蜘蛛丝的商业应用是可能的，但在商业上并不能够以与蚕丝相同的方式养殖和收获蜘蛛丝。这部分是由于蜘蛛的侵略性和领地性。因此，合成生产的蜘蛛丝被认为
是最可能有成本效益的且可行的商业化途径。

[0012] 目前，重组丝纤维还不是商业上可获得的，并且即使有少数例外，其也不能够在大肠杆菌(Escherichia coli)和其他革兰氏阴性原核生物之外的微生物中产生。迄今生产的
重组丝大部分是由聚合的天然重复结构域的短丝序列基序或片段组成，有时组合NTD和/或
CTD。虽然这些方法能够使用分子内表达和色谱纯化或本体沉淀生产小规模的重组丝多肽
(实验室规模为毫克级，生物加工规模为千克级)，但是它们不能放大到匹配常规纺织纤维。
已经用于生产丝多肽的其他生产宿主包括转基因山羊、转基因蚕和植物。类似地，这些宿主
尚不能够实现商业规模的丝生产，可能是由于工程周期缓慢。

[0013] 因此，需要改进的蜘蛛丝源的重组蛋白质设计、以高速率生产它们的表达构建体、表达这些蛋白质的微生物，和这些蛋白质制成的合成纤维，该合成纤维表现出了许多期望
的天然蜘蛛丝纤维的机械和形态学特性。

[0014] 概述

[0015] 在一些实施方案中，本发明提供了蛋白质嵌段共聚物纤维，其中嵌段共聚物包含：至少出现两次的重复单元，所述重复单元包含：超过150个氨基酸残基并且分子量为至少
10kDal；具有6个或更多个连续氨基酸的富丙氨酸区域，其包含的丙氨酸含量为至少80％；
具有12个或更多个连续氨基酸的富甘氨酸区域，其包含的甘氨酸含量为至少40％且丙氨酸
含量为小于30％；并且其中所述纤维包含选自以下的至少一个特性：大于550cN/tex的弹性
模量、至少10％的延伸性和至少15cN/tex的极限拉伸强度。

[0016] 在一些实施方案中，重复单元包含150至1000个氨基酸残基。在一些实施方案中，重复单元的分子量为10kDal至100kDal。

[0017] 在一些实施方案中，重复单元包含2至20个富丙氨酸区域。

[0018] 在一些实施方案中，每个富丙氨酸区域包含6至20个连续氨基酸，其包含的丙氨酸含量为80％至100％。

[0019] 在一些实施方案中，重复单元包含2至20个富甘氨酸区域。

[0020] 在一些实施方案中，每个富甘氨酸区域包含12至150个连续氨基酸，其包含的甘氨酸含量为40％至80％。

[0021] 在一些实施方案中，所述重复单元包含315个氨基酸残基、6个富丙氨酸区域和6个富甘氨酸区域，其中所述富丙氨酸区域包含7至9个连续氨基酸，并且丙氨酸含量为100％，
并且其中所述富甘氨酸区域包含30至70个连续氨基酸，并且甘氨酸含量为40至55％。

[0022] 在一些实施方案中，弹性模量为550cN/tex至1000cN/tex。

[0023] 在一些实施方案中，延伸性为10％至20％。

[0024] 在一些实施方案中，极限拉伸强度为15cN/tex至100cN/tex。

[0025] 在一些实施方案中，弹性模量为大于550cN/tex。

[0026] 在一些实施方案中，延伸性为至少10％。

[0027] 在一些实施方案中，极限拉伸强度为至少15cN/tex。

[0028] 在一些实施方案中，弹性模量为大于550cN/tex，延伸性为至少10％，并且极限拉伸强度为至少15cN/tex。

[0029] 在一些实施方案中，每个重复单元与包含2至20个准重复单元的序列具有至少95％的序列同一性，每个准重复单元具有包含{GGY‑[GPG‑X1]n1‑GPS‑(A)n2}的组成，其中
对于每个准重复单元：X1独立地选自SGGQQ、GAGQQ、GQGPY、AGQQ和SQ；n1为4至8，并且n2为6
至10。

[0030] 在一些实施方案中，对于至少一半的准重复单元，n1为4至5。

[0031] 在一些实施方案中，对于至少一半的准重复单元，n2为5至8。

[0032] 在一些实施方案中，准重复单元与MaSp2牵引丝蛋白质序列具有至少95％的序列同一性。

[0033] 在一些实施方案中，聚丙氨酸区域形成多个纳米结晶β折叠；并且富甘氨酸区域形成多个β转角结构。

[0034] 在一些实施方案中，所述蛋白质嵌段共聚物的重复单元包含SEQ ID NO:1。

[0035] 在一些实施方案中，本发明提供了合成蛋白质嵌段共聚物纤维的方法，所述方法是通过表达本发明的嵌段共聚物，配制包含所表达的多肽和至少一种溶剂的纺丝浓液；并
且挤出纺丝浓液通过喷丝头并且通过至少一个凝固浴以形成纤维，其中该纤维包括选自以
下的特性：大于400cN/tex的弹性模量、至少10％的延伸性和至少15cN/tex的极限拉伸强
度。

[0036] 在一些实施方案中，本发明的嵌段共聚物包含至少两个重复单元，每个重复单元包含：超过150个氨基酸残基并且具有至少20kDal的分子量；具有6个或更多个连续氨基酸
的富丙氨酸区域，其包含的丙氨酸含量为至少80％；并且具有12个或更多个连续氨基酸的
富甘氨酸区域，其包含的甘氨酸含量为至少40％且丙氨酸含量为小于30％。

[0037] 在一些实施方案中，所述重复单元包含150至1000个氨基酸残基。

[0038] 在一些实施方案中，所述重复单元的分子量为10kDal至100kDal。

[0039] 在一些实施方案中，所述重复单元包含2至20个富丙氨酸区域。

[0040] 在一些实施方案中，每个富丙氨酸区域包含6至20个连续氨基酸，其包含的丙氨酸含量为80％至100％。

[0041] 在一些实施方案中，所述重复单元包含2至20个富甘氨酸区域。

[0042] 在一些实施方案中，每个富甘氨酸区域包含12至150个连续氨基酸，其包含的甘氨酸含量为40％至80％。

[0043] 在一些实施方案中，所述重复单元包含315个氨基酸残基、6个富丙氨酸区域和6个富甘氨酸区域，其中所述富丙氨酸区域包含7至9个连续氨基酸，并且丙氨酸含量为100％，
并且其中所述富甘氨酸区域包含30至70个连续氨基酸，并且甘氨酸含量为40至55％。

[0044] 在一些实施方案中，纤维弹性模量为550cN/tex至575cN/tex。

[0045] 在一些实施方案中，纤维延伸性为10％至20％。

[0046] 在一些实施方案中，纤维极限拉伸强度为15cN/tex至20cN/tex。

[0047] 在一些实施方案中，纤维弹性模量为大于400cN/tex。

[0048] 在一些实施方案中，纤维延伸性为至少10％。

[0049] 在一些实施方案中，纤维极限拉伸强度为至少15cN/tex。

[0050] 在一些实施方案中，纤维弹性模量为大于400cN/tex，延伸性为至少10％，并且极限拉伸强度为至少15cN/tex。

[0051] 在一些实施方案中，挤出纤维通过至少一个凝固浴包括挤出纤维按顺序通过第一凝固浴和第二浴，第一凝固浴具有第一化学组合物，并且第二浴具有与第一化学组合物不
同的第二化学组合物。

[0052] 在一些实施方案中，第一化学组合物包含第一溶剂，以及第一酸和第一盐中的至少一种；并且第二化学组合物包含第二溶剂，以及第二酸和第二盐中的至少一种；其中第二
溶剂的浓度高于第一溶剂的浓度，并且其中第一溶剂和第二溶剂相同或不同，并且第一酸
和第二酸相同或不同。

[0053] 在一些实施方案中，所述第一溶剂和所述第二溶剂相同。

[0054] 在一些实施方案中，所述第一溶剂和所述第二溶剂不同。

[0055] 在一些实施方案中，所述第一酸和所述第二酸相同。

[0056] 在一些实施方案中，所述第一酸和所述第二酸不同。

[0057] 在一些实施方案中，纤维在第一凝固浴中是半透明的。

[0058] 附图简述

[0059] 图1图解示出了在一个实施方案中本公开的嵌段共聚物的分子结构。

[0060] 图2是在一个实施方案中具有中空芯的本公开的纤维的放大图像。

[0061] 图3是在一个实施方案中具有褶皱表面的本公开的纤维的放大图像。

[0062] 图4A‑4D显示了在多个实施方案中对本公开的多个纤维测量的机械特性。

[0063] 图5是在一个实施方案中对本公开的纤维测量的第一应力‑应变曲线。

[0064] 图6是在一个实施方案中对本公开的纤维测量的第二应力‑应变曲线。

[0065] 图7是在一个实施方案中对本公开的纤维测量的一组应力‑应变曲线。

[0066] 仅出于示例目的，附图描述了本公开的多种实施方案。本领域技术人员根据以下讨论将容易地意识到可以采用本文示例的结构和方法的可选实施方案，而没有偏离本文描
述的原理。

[0067] 详述

[0068] 概要

[0069] 本公开的实施方案包括由源自MaSp2(例如来自物种横纹金蛛(Argiope bruennichi))的重组蜘蛛丝蛋白质的蛋白质共聚物合成的纤维。每根合成的纤维含有包括
两个至二十个重复单元的蛋白质分子，其中每个重复单元的分子量为大于约20kDal。共聚
物的每个重复单元内具有超过约60个氨基酸残基，它们被组构成多个“准重复单元”。在一
些实施方案中，本公开中描述的多肽的重复单元与MaSp2牵引丝蛋白质序列具有至少95％
的序列同一性。

[0070] 利用具有更少的长精确重复单元的长多肽相对于具有更多数量的较短精确重复单元的多肽就形成重组蜘蛛丝纤维具有许多优势。一个重要区别是“长精确重复单元”被定
义为其中没有串联的较短精确重复单元的氨基酸序列。具有长精确重复单元的长多肽比具
有更多数量的短重复单元的长多肽更容易加工，因为它们更少地遇到引起DNA断裂的同源
重组，它们对非晶结构域相比于结晶结构域的组成以及纳米结晶结构域的平均尺寸和尺寸
分布提供更多的控制，并且它们在纤维形成前在中间加工步骤期间不会遇到不期望的结
晶。在本公开中，术语“重复单元”是指在较长序列中精确重复的子序列。

[0071] 在本公开中，当陈述值的范围时，该范围包括落入该范围内的每个值，如同明确地写出来一样，并且还包括界定该范围的值。因此，范围“X至Y”包括落入X和Y之间的每一个
值，并且包括X和Y。

[0072] 在涉及两个或更多个核酸或多肽序列时，术语百分比“同一性”是指两个或更多个序列或子序列当对最大对应性进行比较和比对时，具有指定百分比的相同核苷酸或氨基酸
残基，如使用以下描述的序列比较算法之一(例如BLASTP和BLASTN，或本领域技术人员可获
得的其他算法)或通过目检所测量的。依据本申请，百分比“同一性”可存在于被比较的序列
的一个区域内，例如一个功能结构域内，或可选地，存在于待比较的两个序列的全长内。在
本公开内，“区域”被认为是在多肽内的为一段连续序列形式的6个或更多个氨基酸。

[0073] 对于序列比较，通常一个序列作为参考序列，测试序列与其进行比较。当使用序列比较算法时，将测试和参考序列输入到计算机中，如果需要的话指定子序列坐标，并且指定
序列算法程序参数。然后基于指定的程序参数，序列比较算法计算测试序列相对于参考序
列的百分比序列同一性。

[0074] 例如通过Smith&Waterman,Adv.Appl.Math.2:482(1981)的局部同源性算法，通过Needleman&Wunsch,J.Mol.Biol.48:443(1970)的同源性比对算法，通过Pearson&Lipman,
Proc.Nat'l.Acad.Sci.USA 85:2444(1988)的相似性方法检索，通过这些算法的计算机化
实施(Wisconsin Genetics Software Package,Genetics Computer Group,575Science 
Dr.,Madison,Wis.中的GAP、BESTFIT、FASTA和TFASTA)或通过目检(一般参见Ausubel等人，
见下文)，能够进行用于比较的序列的最佳比对。

[0075] 适合确定百分比序列同一性和序列相似性的算法的一个实例是BLAST算法，其被记载在Altschul等人,J.Mol.Biol.215:403‑410(1990)中。用于实施BLAST分析的软件是公
众可通过国家生物技术信息中心获得的。该软件还能够用于确定多肽序列内或该序列的一
个结构域内存在的任何指定氨基酸的摩尔百分比。如本领域技术人员会认识到的，这样的
百分比还能够通过检验和手工计算来确定。

[0076] 在多个实施方案中，合成纤维的形态包括纤维具有中空截面或褶皱外表面，且褶皱平行于纤维的纵轴。在多个实施方案中，合成纤维显示的断裂应变为大于10％，或大于
20％，或大于100％，或大于200％，或大于300％，或大于400％。在多个实施方案中，合成纤
维显示的断裂应变为1％至400％，或1至200％，或1至100％，或1至20％，或10至200％，或10
至100％，或10至50％，或10至20％，或50％至150％，或100％至150％，或300％至400％。在
多个实施方案中，合成纤维显示的弹性模量为大于1500MPa，或大于2000MPa，或大于
3000MPa，或大于5000MPa，或大于6000MPa，或大于7000MPa。在多个实施方案中，合成纤维显
示的弹性模量为5200至7000MPa，或1500至10000MPa，或1500至8000MPa，或2000至8000MPa，
或3000至8000MPa，或5000至8000MPa，或5000至6000MPa，或6000至8000MPa。在多个实施方
案中，合成纤维显示的弹性模量为大于100cN/tex，或大于200cN/tex，或大于300cN/tex，或
大于400cN/tex，或大于500cN/tex，或大于550cN/tex，或大于600cN/tex。在多个实施方案
中，合成纤维显示的弹性模量为100至600cN/tex，或200至600cN/tex，或300至600cN/tex，
或400至600cN/tex，或500至600cN/tex，或550至600cN/tex，或550至575cN/tex，或500至
750cN/tex，或500至1000cN/tex，或500至1500cN/tex。在多个实施方案中，合成纤维显示的
最大拉伸强度为大于100MPa，或大于120MPa，或大于140MPa，或大于160MPa，或大于180MPa，
或大于200MPa，或大于220MPa，或大于240MPa，或大于260MPa，或大于280MPa，或大于
300MPa，或大于400MPa，或大于600MPa，或大于1000MPa。在多个实施方案中，合成纤维显示
的最大拉伸强度为100至1000MPa，或100至500MPa，或100至300MPa，或100至250MPa，或100
至200MPa，或100至150MPa。在多个实施方案中，合成纤维显示的极限拉伸强度为大于
100MPa，或大于120MPa，或大于140MPa，或大于160MPa，或大于180MPa，或大于200MPa，或大
于220MPa，或大于240MPa，或大于260MPa，或大于260MPa，或大于280MPa，或大于300MPa，或
大于400MPa，或大于600MPa，或大于1000MPa。在多个实施方案中，合成纤维显示的极限拉伸
强度为100至1000MPa，或100至500MPa，或100至300MPa，或100至250MPa，或100至200MPa，或
100至150MPa。在多个实施方案中，合成纤维显示的最大拉伸强度为大于5cN/tex，或大于
10cN/tex，或大于15cN/tex，或大于20cN/tex，或大于25cN/tex。在多个实施方案中，合成纤
维显示的最大拉伸强度为5至30cN/tex，或5至25cN/tex，或10至30cN/tex，或10至20cN/
tex，或15至20cN/tex，或15至50cN/tex，或15至75cN/tex，或15至100cN/tex。在多个实施方
案中，合成纤维显示的极限拉伸强度为大于5cN/tex，或大于10cN/tex，或大于15cN/tex，或
大于20cN/tex，或大于25cN/tex。在多个实施方案中，合成纤维显示的极限拉伸强度为5至
30cN/tex，或5至25cN/tex，或10至30cN/tex，或10至20cN/tex，或15至20cN/tex，或15至
50cN/tex，或15至75cN/tex，或15至100cN/tex。在一些实施方案中，合成纤维显示的断裂功
为大于0.2cN*cm，或大于0.4cN*cm，或大于0.8cN*cm，或大于0.9cN*cm，或大于1.3cN*cm，或
大于2cN*cm，或0.2至2cN*cm，或0.4至2cN*cm、0.6至2cN*cm，或0.5至2cN*cm，或0.5至
1.3cN*cm，或0.7至1.1cN*cm。在一些实施方案中，合成纤维显示的线密度为小于5dtex，或
小于3dtex，或小于2dtex，或小于1.5dtex，或大于1.5dtex，或大于1.7dtex，或大于2dtex，
或1至5dtex，或1至3dtex，或1.5至2dtex，或1.5至2.5dtex。

[0077] 分子结构

[0078] 图1图解示出了在一个实施方案中本公开的示例共聚物分子。本公开的嵌段共聚物分子在每个重复单元中包括超过60个、或超过100个、或超过150个、或超过200个、或超过
250个、或超过300个、或超过350个、或超过400个、或超过450个、或超过500个、或超过600
个、或超过700个、或超过800个、或超过900个、或超过1000个氨基酸残基，或60至1000个、或
100至1000个、或200至1000个、或300至1000个、或400至1000个、或500至1000个、或150至
1000个、或150至400个、或150至500个、或150至750个、或200至400个、或200至500个、或200
至750个、或250至350个、或250至400个、或250至500个、或250至750个、或250至1000个、或
300至500个、或300至750个氨基酸残基。本公开的多肽分子的每个重复单元的分子量可以
是20kDal至100kDal，或大于20kDal，或大于10kDal，或大于5kDal，或5至60kDal，或5至
40kDal，或5至20kDal，或5至100kDal，或5至50kDal，或10至20kDal，或10至40kDal，或10至
60kDal，或10至100kDal，或10至50kDal，或20至100kDal，或20至80kDal，或20至60kDal，或
20至40kDal，或20至30kDal。本公开的共聚物分子在每个重复单元中可包括超过300个氨基
酸残基。本公开的共聚物分子在每个重复单元中可包括约315个氨基酸残基。这些氨基酸残
基在分子内在多个不同水平上组构。本公开的共聚物分子包括2至20次出现的重复单元。在
串联重复单元后，本公开的多肽分子可以为20kDal至2000kDal，或大于20kDal，或大于
10kDal，或大于5kDal，或5至400kDal，或5至300kDal，或5至200kDal，或5至100kDal，或5至
50kDal，或5至500kDal，或5至1000kDal，或5至2000kDal，或10至400kDal，或10至300kDal，
或10至200kDal，或10至100kDal，或10至50kDal，或10至500kDal，或10至1000kDal，或10至
2000kDal，或20至400kDal，或20至300kDal，或20至200kDal，或40至300kDal，或40至
500kDal，或20至100kDal，或20至50kDal，或20至500kDal，或20至1000kDal，或20至
2000kDal。如图1所示，共聚物纤维的每个“重复单元”包括2至20个“准重复”单元(即n3为2
至20)。准重复单元不必须是精确重复单元。每个重复单元可由串联的准重复单元构成。式1
显示了根据本公开的准重复单元的组成：

[0079] {GGY‑[GPG‑X1]n1‑GPS‑(A)n2}n3(式1)

[0080] 可变组成要素X1(称为“基序”)是根据等式2中所示的以下氨基酸序列中的任何一个，并且X1在每个准重复单元内随机变化。

[0081] X1＝SGGQQ或GAGQQ或GQGPY或AGQQ或SQ(等式2)

[0082] 再次参照式1，由式1中的“GGY‑[GPG‑X1]n1‑GPS”表示的准重复单元的组成要素被称为“第一区域”。通过重复准重复单元内的第一区域4至8次部分地形成准重复单元。也就
是说，n1值表示在单个准重复单元内重复的第一区域单元数，n1值是4、5、6、7或8中的任何一
个。“(A)n2”表示的组成要素是指“第二区域”，并且是通过在每个准重复单元内重复氨基酸
序列“A”n2次形成。也就是说，n2值表示单个准重复单元内重复的第二区域单元数，并且n2值
是6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20中的任何一个。在一些实施方案中，本公
开的多肽的重复单元与包含式1和2描述的准重复单元的序列具有至少95％的序列同一性。
在一些实施方案中，本公开的多肽的重复单元与包含式1和2描述的准重复单元的序列具有
至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％的序列同一性。

[0083] 式1中描述的第一区域被认为是富甘氨酸区域。如果序列内的6个或更多个连续氨基酸具有大于45％的甘氨酸，则区域可以是富甘氨酸。如果序列内的12个或更多个连续氨
基酸具有大于45％的甘氨酸，则区域可以是富甘氨酸。如果序列内的18个或更多个连续氨
基酸具有大于45％的甘氨酸，则区域可以是富甘氨酸。如果序列内4个或更多个、或6个或更
多个、或10个或更多个、或12个或更多个、或15个或更多个、或20个或更多个、或25个或更多
个、或30个或更多个、或40个或更多个、或50个或更多个、或60个或更多个、或70个或更多
个、或80个或更多个、或100个或更多个、或150个或更多个连续氨基酸具有大于30％、或大
于40％、或大于45％、或大于50％、或大于55％的甘氨酸，或大于60％的甘氨酸，或大于70％
的甘氨酸，或大于80％的甘氨酸，或30％至80％、或40％至80％、或45％至80％、或30％至
55％、或30％至50％、或30％至45％、或30％至40％、或40％至50％、或40％至55％、或40％
至60％的甘氨酸，则区域可以是富甘氨酸。如果序列内5至150个、或10至150个、或12至150
个、或12至100个、或12至80个、或12至60个、或20至60个连续氨基酸具有大于30％、或大于
40％、或大于45％、或大于50％、或大于55％的甘氨酸，或大于60％的甘氨酸，或大于70％的
甘氨酸，或大于80％的甘氨酸，或30％至80％、或40％至80％、或45％至80％、或30％至
55％、或30％至50％、或30％至45％、或30％至40％、或40％至50％、或40％至55％、或40％
至60％的甘氨酸，则区域可以是富甘氨酸。此外，富甘氨酸区域可具有小于10％、或小于
20％、或小于30％、或小于40％的丙氨酸，或约0％至10％、或约0％至20％、或约0％至30％、
或约0％至40％的丙氨酸。如果序列内4个或更多个、或6个或更多个、或8个或更多个、或10
个或更多个连续氨基酸具有大于70％、或大于75％、或大于80％、或大于85％、或大于90％
的丙氨酸，或70％至约100％、或75％至约100％、或80％至约100％、或85％至约100％、或
90％至约100％的丙氨酸，则区域可以是富丙氨酸。如果序列内4至10个、或4至12个、或4至
15个、或6至10个、或6至12个、或6至15个、或4至20个、或6至20个连续氨基酸具有大于70％、
或大于75％、或大于80％、或大于85％、或大于90％的丙氨酸，或70％至约100％、或75％至
约100％、或80％至约100％、或85％至约100％、或90％至约100％的丙氨酸，则区域可以是
富丙氨酸。本公开描述的重复单元可具有6个、或大于2个、或大于4个、或大于6个、或大于8
个、或大于10个、或大于15个、或大于20个、或2至25个、或2至10个、或4至10个、或2至8个、或
4至8个富丙氨酸区域。本公开描述的重复单元可具有6个、或大于2个、或大于4个、或大于6
个、或大于8个、或大于10个、或大于15个、或大于20个、或2至25个、或2至10个、或4至10个、
或2至8个、或4至8个富甘氨酸区域。

[0084] 如下文进一步描述的，共聚物分子的一个实例包括三个“长”准重复单元，随后是三个“短”准重复单元。“长”准重复单元包括的准重复单元在一行中使用相同的X1组成(如
等式2所示)不多于两次，或在一个重复单元中不多于两次。每个“短”准重复单元包括等式2
中鉴别的任何氨基酸序列，但不论使用的氨基酸序列为何，相同序列位于分子内的相同位
置。此外，在这一示例共聚物分子中，6个中不超过3个准重复单元共享相同的X1。“短”准重
复单元是其中n1＝4或5(如式1所示)的那些。长准重复单元被定义为其中n1＝6、7或8(如式
1所示)的那些。

[0085] 在一些实施方案中，共聚物的重复单元包括Xqr个准重复单元，其Xqr为2至20，并且短准重复单元的数量为Xsqr，长准重复单元的数量为Xlqr，其中

[0086] Xsqr+Xlqr＝Xqr(等式3)

[0087] 并且Xsqr是1至(Xqr‑1)，并且Xlqr是1至(Xqr‑1)。

[0088] 在另一实施方案中，对于准重复单元的至少一半，n1是4至5。在又一实施方案中，对于准重复单元的至少一半，n2是5至8。

[0089] 本公开的共聚物分子的一个特征是形成纳米结晶区域和非晶区域，不期望受到理论束缚，纳米结晶区域被认为是由β折叠区的堆叠而形成，并且非晶区域包括α螺旋结构、β
转角结构，或两者。分子中的聚丙氨酸区域(或在一些物种中的(GA)n区域)形成了大壶状腺
(MA)纤维中的结晶β折叠。大壶状腺和鞭状腺蜘蛛丝的重复单元内的其他区域(例如包含
GPGGX、GPGQQ、GGX，其中X＝A、S或Y，GPG、SGGQQ、GAGQQ、GQGPY、AGQQ和SQ)可形成非晶橡胶样
结构，其包括含有α螺旋和β转角的结构。此外，经由氨基酸序列和长度以及形成、加工和后
加工纤维的条件赋予纤维形态二级、三级和四级结构。材料表征技术(如NMR、FTIR和x射线
衍射)已表明天然MA蜘蛛丝和衍生自MA蜘蛛丝序列的重组丝内的聚丙氨酸结晶结构域通常
非常小(<10nm)。纤维可以是高度结晶的或高度非晶的，或结晶区域和非晶区域两者的混合
物，但是推测具有最佳机械特性的纤维包括10～40体积％的结晶材料。在一些实施方案中，
本公开中描述的多肽的重复单元与MA牵引丝蛋白质序列具有至少80％、或至少90％、或至
少95％、或至少99％的序列同一性。在一些实施方案中，本公开中描述的多肽的重复单元与
MaSp2牵引丝蛋白质序列具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％的序列同一
性。在一些实施方案中，本公开中描述的多肽的重复单元与蜘蛛牵引丝蛋白质序列具有至
少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％的序列同一性。在一些实施方案中，本公开中
描述的多肽的准重复单元与MA牵引丝蛋白质序列具有至少80％、或至少90％、或至少95％、
或至少99％的序列同一性。在一些实施方案中，本公开中描述的多肽的准重复单元与MaSp2
牵引丝蛋白质序列具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％的序列同一性。在
一些实施方案中，本公开中描述的多肽的准重复单元与蜘蛛牵引丝蛋白质序列具有至少
80％、或至少90％、或至少95％、或至少99％的序列同一性。

[0090] 形成具有良好机械特性的纤维的蛋白质嵌段共聚物的重复单元可使用丝多肽的一部分合成。能够用作本公开的蛋白质嵌段共聚物中的重复单元的一些示例性序列显示在
表1中。这些多肽重复单元包含富丙氨酸区域和富甘氨酸区域，并且长度为150个氨基酸或
更长。证明这些示例性序列使用如共同所有的PCT公开WO 2015042164中教导的毕赤酵母属
(Pichia)表达系统来表达。

[0091] 表1：能够用作重复单元的示例序列

[0092]

[0093]

[0094]

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]

[0101]

[0102]

[0103]

[0104]

[0105]

[0106]

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111]

[0112] 在一个实施方案中，形成具有良好机械特性的嵌段共聚物多肽重复单元使用SEQ ID NO.1合成。这一重复单元含有6个准重复单元，它们每个包括如本文所述的组成有变化
的基序。这一重复单元可以串联1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或
20次，以形成20kDal至535kDal、或大于20kDal、或大于10kDal、或大于5kDal、或5至
400kDal、或5至300kDal、或5至200kDal、或5至100kDal、或5至50kDal、或5至600kDal、或5至
800kDal、或5至1000kDal、或10至400kDal、或10至300kDal、或10至200kDal、或10至
100kDal、或10至50kDal、或10至600kDal、或10至800kDal、或10至1000kDal、或20至
400kDal、或20至300kDal、或20至200kDal、或20至100kDal、或20至50kDal、或40至300kDal、
或40至500kDal、或20至600kDal、或20至800kDal、或20至1000kDal的多肽分子。这一多肽重
复单元还含有与纳米结晶区域有关的聚丙氨酸区域，和与含有β转角的结晶较少区域有关
的富甘氨酸区域。在其他实施方案中，所述重复单元选自Seq ID No:2‑97中所列的任何序
列。

[0113] 在一些实施方案中，多肽的准重复单元可通过式{GGY‑[GPG‑X1]n1‑GPS‑(A)n2}描述，其中X1独立地选自SGGQQ、GAGQQ、GQGPY、AGQQ和SQ，n1为4至8，且n2是6至20。重复单元包
括多个准重复单元。在额外的实施方案中，3个“长”准重复单元，随后是3个“短”准重复单
元。如上所述，短准重复单元是其中n1＝4或5的那些。长准重复单元被定义为其中n1＝6、7
或8的那些。在一些实施方案中，所有短准重复单元在重复单元的每个准重复单元内的相同
位置具有相同的X1基序。在一些实施方案中，6个中不超过3个准重复单元共享相同的X1基
序。

[0114] 在额外的实施方案中，重复单元包括在重复单元内的一排中使用相同X1不超过两次的准重复单元。在额外的实施方案中，重复单元包括的准重复单元中至少1、2、3、4、5、6、
7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20个准重复单元在该重复单元的单个准重复单
元中使用相同X1不超过两次。

[0115] 在一些实施方案中，由描述的多肽形成的纤维结构形成了β折叠结构、β转角结构或α螺旋结构。在一些实施方案中，形成的纤维的二级、三级和四级蛋白质结构被描述为具
有纳米结晶β折叠区域、非晶β转角区域、非晶α螺旋区域、嵌入非结晶基质中的随机空间分
布的纳米结晶区域或嵌入非结晶基质中的随机定向的纳米结晶区域。

[0116] 在一些实施方案中，用于形成如本文所述的具有机械特性的纤维的多肽包括与4至20个氨基酸长的聚丙氨酸区域串联的20至100个氨基酸长的富甘氨酸区域。在一些实施
方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含5‑25％的聚丙氨酸区域(4至20个聚
丙氨酸残基)。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含25‑50％
的甘氨酸。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含15‑35％的
GGX，其中X是任何氨基酸。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包
含15‑60％的GPG。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含10‑
40％的丙氨酸。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含5‑20％
的脯氨酸。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含10‑50％的β
转角。在一些实施方案中，用于形成具有良好机械特性的纤维的多肽包含10‑50％的α螺旋
组成。在一些实施方案中，所有这些组成范围将应用于同一多肽。在一些实施方案中，这些
组成范围中的两个或更多个将应用于同一多肽。

[0117] 纤维纺丝浓液和纺丝参数

[0118] 在一些实施方案中，合成含有从本公开的任何多肽表达的蛋白质的纺丝浓液。使用已公布的技术，例如WO2015042164 A2中记载的那些技术，制备纺丝浓液。在一些实施方
案中，使用标准技术，通过将纯化并干燥的嵌段共聚物多肽溶解于基于甲酸的纺丝溶液中
来制备纤维纺丝溶液。将纺丝浓液在35℃下在旋转振荡器上孵育3天，并偶尔混合。3天后，
将纺丝浓液在16000rcf下离心60分钟，并允许在纺丝前平衡至室温，持续至少2小时。

[0119] 在一个实施方案中，通过尺寸分离方法的结果的定量分析确定蛋白质分数，该蛋白质分数为期望长度的至少某一百分比(例如80％)。在一个实施方案中，尺寸分离方法可
包括尺寸排阻色谱法。在一个实施方案中，尺寸分离方法可包括凝胶电泳。定量分析可包括
通过积分色谱图或光密度扫描峰的面积确定落入指定尺寸范围的总蛋白质的分数。例如，
如果通过尺寸分离方法运行样品，并且对应于全长、60％全长和20％全长的峰下的相对面
积为3:2:1，则全长的分数对应于总计6份中的三份＝50％。

[0120] 在一些实施方案中，从本公开的任何多肽表达的纺丝浓液的蛋白质为基本上单分散的，且纺丝浓液中>5％、或>10％、或>15％、或>20％、或>25％、或>30％、或>35％、或>
40％、或>45％、或>50％、或>55％、或>60％、或>65％、或>70％、或>75％、或>80％、或>85％、
或>90％、或>95％、或>99％的蛋白质的分子量为>5％、或>10％、或>15％、或>20％、或>
25％、或>30％、或>35％、或>40％、或>45％、或>50％、或>55％、或>60％、或>65％、或>70％、
或>75％、或>80％、或>85％、或>90％、或>95％、或>99％的编码蛋白质的分子量。在一些实
施方案中，从本公开的任何多肽表达的纺丝浓液的蛋白质在纺丝浓液中5％至99％、或5％
至50％、或50％至99％、或20％至80％、或40％至60％、或5％至30％、或70％至99％、或5％
至20％、或5％至10％、或80％至99％、或90％至99％的蛋白质的分子量为编码蛋白质的分
子量的5％至99％、或5％至50％、或50％至99％、或20％至80％、或40％至60％、或5％至
30％、或70％至99％、或5％至20％、或5％至10％、或80％至99％、或90％至99％。“编码蛋白
质”被定义为由蛋白质表达中使用的DNA编码的多肽氨基酸序列。换言之，“编码蛋白质”是
如果在蛋白质生产期间的任何阶段中没有缺陷过程(例如转录错误、蛋白质降解、同源重
组、截短、蛋白质断裂、蛋白质聚集)将产生的多肽。纺丝浓液中蛋白质的较高单分散性(换
言之较高纯度)具有生产具有更好机械特性(例如较高的杨氏模量、较高的延伸性、较高的
极限拉伸强度和较高的最大拉伸强度)的纤维的优势。

[0121] 在一个实施方案中，纺丝浓液中31％的蛋白质的分子量大于80％的预期生产的蛋白质(即编码蛋白质)。在这种情况下，纺丝浓液中70％的蛋白质会是预期生产的蛋白质之
外的蛋白质。这些其他蛋白质的一个实例是编码蛋白质的降解蛋白质片段。这些其他蛋白
质的另一实例是在任何纯化过程期间没有除去的外源蛋白质，诸如来自用于表达编码蛋白
质的生物体的蛋白质。

[0122] 在其他实施方案中，单分散性低的纤维(纺丝浓液中<5％、或<10％、或<15％、或<20％、或<25％、或<30％、或<35％、或<40％、或<45％、或<50％、或<55％、或<60％、或<65％、
或<70％、或<75％、或<80％、或<85％、或<90％、或<95％、或<99％的蛋白质的分子量为蛋白
质表达中使用的DNA编码的蛋白质分子量的>5％、或>10％、或>15％、或>20％、或>25％、或>
30％、或>35％、或>40％、或>45％、或>50％、或>55％、或>60％、或>65％、或>70％、或>75％、
或>80％、或>85％、或>90％、或>95％、或>99％)仍然能够产生具有良好机械特性的纤维。在
其他实施方案中，单分散性低的纤维(纺丝浓液中5％至99％、或5％至50％、或5％至30％、
或10％至50％、或20％至50％、或50％至99％、或20％至80％、或40％至60％、或5％至30％、
或70％至99％、或5％至20％、或5％至10％、或80％至99％、或90％至99％的蛋白质的分子
量为蛋白质表达中使用的DNA编码的蛋白质分子量的5％至99％、或5％至50％、或50％至
99％、或20％至80％、或40％至60％、或5％至30％、或70％至99％、或5％至20％、或5％至
10％、或80％至99％、或90％至99％)仍能够产生具有良好机械特性的纤维。由低纯度纺丝
浓液形成的纤维的本文描述的机械特性(例如高杨氏(即弹性)模量和/或延伸性(即应变百
分比))是通过使用长多肽重复单元、合适的多肽组成和纺丝浓液以及本公开其他地方描述
的纤维纺丝参数来实现的。

[0123] 在其他实施方案中，经由微生物(诸如巴氏毕赤酵母(Pichia pastoris)、大肠杆菌、枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis))分泌或哺乳动物细胞产生蛋白质。任选地，分泌速
率为至少20mg/g DCW/hr(DCW＝细胞干重)。任选地，然后将蛋白质回收、分离并使用含有溶
剂的纺丝浓液纺成纤维。可用于纺丝浓液中的溶剂的类型的一些实例是水性的、无机的或
有机的，包括但不限于乙醇、甲醇、异丙醇、叔丁醇、乙酸乙酯和乙二醇。用于合成重组蛋白
质嵌段共聚物的多种方法已被公布，诸如WO2015042164 A2中记载的那些。

[0124] 在其他实施方案中，选择用于湿纺的凝固浴条件以促进具有特定机械特性的纤维的形成。任选地，凝固浴维持在0‑90℃、更优选20‑60℃的温度。任选地，凝固浴包含约60％、
70％、80％、90％或甚至100％的醇，优选异丙醇、乙醇或甲醇。任选地，凝固浴是按体积计
95:5％、90:10％、85:15％、80:20％、75:25％、70:30％、65:35％、60:40％、55:45％或50:
50％的甲醇:水。任选地，凝固浴含有增强纤维机械特性的添加剂，诸如包含硫酸铵、氯化
钠、硫酸钠或其他在20至60℃的温度下沉淀蛋白质的盐的添加剂。

[0125] 在一些实施方案中，挤出的丝或纤维通过多于一个浴。对于其中使用多于一个浴的实施方案，不同的浴具有不同或相同的化学组合物。在一些实施方案中，挤出的丝或纤维
通过多于一个凝固浴。对于其中使用多于一个凝固浴的实施方案，不同的凝固浴具有不同
或相同的化学组合物。可调整停留时间以提高机械特性，例如在凝固浴中2秒至100分钟。调
整卷绕/牵伸速率以提高纤维机械特性，例如0.1至100米/分钟的速率。

[0126] 还能够调整牵伸率以提高纤维机械特性。在不同的实施方案中，牵伸率为1.5X至30X。在一个实施方案中，较低的牵伸率提高了纤维延伸性。在一个实施方案中，较高的牵伸
率提高了纤维最大拉伸强度。还能够在不同的环境中进行牵伸，例如在溶液中，在潮湿空气
中，或在升高的温度下。

[0127] 在凝固浴中采用公开范围的较长端的停留时间加工的本公开的纤维产生了褶皱横截面，如图3所示。也就是说，每根纤维具有布置在纤维的外表面的多个褶皱(或可选地，
“沟槽”)。这些褶皱的每一个平行于其上布置有褶皱的对应纤维的纵轴。在凝固浴中采用较
高乙醇含量加工的本公开的纤维产生中空芯纤维，如图2所示。也就是说，纤维包括内表面
和外表面。内表面界定平行于纤维纵轴的中空芯。

[0128] 在一些实施方案中，使用水、酸、溶剂和盐中的一种或多种的组合制备凝固浴或第一凝固浴，包括但不限于以下类型的化学品： ‑Lowry酸、路易斯酸、二元氢化物
酸、有机酸、金属阳离子酸、有机溶剂、无机溶剂、碱金属盐和碱土金属盐。制备凝固浴或第
一凝固浴中使用的酸的一些实例是稀盐酸、稀硫酸、甲酸和乙酸。制备第一凝固浴中使用的
溶剂的一些实例是乙醇、甲醇、异丙醇、叔丁醇、乙酸乙酯和乙二醇。制备凝固浴或第一凝固
浴中使用的盐的实例包括LiCl、KCl、BeCl2、MgCl2、CaCl2、NaCl、硫酸铵、硫酸钠和其他硝酸
盐、硫酸盐或磷酸盐。

[0129] 在一些实施方案中，选择凝固浴或第一凝固浴的化学组合物和挤出参数使得纤维在凝固浴或第一凝固浴中保持为半透明的。在一些实施方案中，选择凝固浴或第一凝固浴
的化学组合物和挤出参数以降低纤维在凝固浴或第一凝固浴中的凝固速率，其提高了在随
后的牵伸步骤中牵伸所得纤维的能力。在多个实施方案中，在不同的环境中进行随后的牵
伸步骤，包括湿环境、干环境和潮湿空气环境。湿环境的实例包括一个或多个额外的浴或凝
固浴。在一些实施方案中，纤维在第一凝固浴之后通过一个或多个浴。在多个实施方案中，
使用水、酸、溶剂和盐中的一种或多种的组合制备该一个或多个额外的浴或凝固浴，包括但
不限于以下类型的化学品： ‑Lowry酸、路易斯酸、二元氢化物酸、有机酸、金属阳
离子酸、有机溶剂、无机溶剂、碱金属盐和碱土金属盐。在制备第二浴或凝固浴中使用的酸
的一些实例是稀盐酸、稀硫酸、甲酸和乙酸。在制备第二凝固浴中使用的溶剂的一些实例是
乙醇、甲醇、异丙醇、叔丁醇、乙酸乙酯和乙二醇。在制备第二浴或凝固浴中使用的盐的一些
实例包括LiCl、KCl、MgCl2、CaCl2、NaCl、硫酸铵、硫酸钠和其他硝酸盐、硫酸盐或磷酸盐。在
一些实施方案中，存在两个凝固浴，其中第一凝固浴具有与第二凝固浴不同的化学组合物，
并且第二凝固浴具有比第一凝固浴更高的溶剂浓度。在一些实施方案中，存在多于两个凝
固浴，并且第一凝固浴具有与第二凝固浴不同的化学组合物，并且第二凝固浴具有比第一
凝固浴更低的溶剂浓度。在一些实施方案中，存在两个浴，第一为凝固浴，并且第二为洗涤
浴。在一些实施方案中，第一凝固浴具有与第二洗涤浴不同的化学组合物，并且第二洗涤浴
具有比第一浴更高的溶剂浓度。在一些实施方案中，存在多于两个浴，并且第一浴具有与第
二浴不同的化学组合物，并且第二浴具有比第一浴更低的溶剂浓度。

[0130] 在一些实施方案中，使用水、酸、溶剂和盐中的一种或多种的组合进一步制备纺丝浓液，包括但不限于以下类型的化学品： ‑Lowry酸、路易斯酸、二元氢化物酸、有
机酸、金属阳离子酸、有机溶剂、无机溶剂、碱金属盐和碱土金属盐。制备纺丝浓液中使用的
酸的一些实例是稀盐酸、稀硫酸、甲酸和乙酸。制备纺丝浓液中使用的溶剂的一些实例是乙
醇、甲醇、异丙醇、叔丁醇、乙酸乙酯和乙二醇。制备纺丝浓液中使用的盐的一些实例是
LiCl、KCl、MgCl2、CaCl2、NaCl、硫酸铵、硫酸钠和其他硝酸盐、硫酸盐或磷酸盐。

[0131] 在一些实施方案中，选择喷丝头以增强纤维机械特性。喷丝头的尺寸可以为0.001cm至5cm长，并且25至35gauge。在一些实施方案中，喷丝头包括多个孔来同时纺多根
纤维。在一些实施方案中，喷丝头的横截面逐渐变细至孔处的最小直径，是直壁的并且然后
迅速变细至孔，或包括多个收缩部。还可以在10至1000psi的范围内改变纺丝浓液从喷丝头
的挤出压力，以影响纤维机械特性。纤维性质与挤出压力之间的相互作用可受到纺丝浓液
黏度、牵伸/卷绕速率和凝固浴化学组成的影响。

[0132] 纺丝浓液中蛋白质相对于溶剂的浓度也是一个重要参数。在一些实施方案中，溶液中蛋白质浓度(重量/重量)为20％，或25％，或30％，或35％，或40％，或45％或50％，或
55％，或20％至55％，或20％至40％，或30％至40％，或30％至55％，或30％至50％，溶剂和
其他添加剂构成剩余部分。

[0133] 实施例1：纤维纺丝

[0134] 使用已公布的技术(诸如WO2015042164 A2中描述的那些)，从通常用于表达重组DNA的巴氏毕赤酵母分泌本公开的共聚物。在一些实施方案中，观察到至少20mg/g DCW/hr
(DCW＝细胞干重)的分泌速率。使用标准技术，将分泌的蛋白质纯化，干燥，并溶解在基于甲
酸的纺丝溶剂中，以产生均质的纺丝浓液。

[0135] 纺丝浓液挤出通过长度直径比为2:1的50‑200μm直径的孔，进入基于醇的室温凝固浴，停留时间为28秒，凝固浴包含20％的甲酸。纤维在拉力下从凝固浴拉出，收紧通过由
100％醇组成的洗涤浴，拉伸至其长度的4倍，并随后干燥。

[0136] 实施例2：纤维横截面

[0137] 使用以上合成方法，通过调整凝固浴的各种参数，改变挤出纤维的形态。例如，通过具有如上所述的凝固浴的较高乙醇含量，合成中空芯纤维(如图2所示)。在另一实施例
中，通过将在凝固浴中的停留时间增加至2–100秒的范围，产生褶皱形态(如图3所示)。

[0138] 采用凝固浴中位于公开范围的较长端的的停留时间加工本公开的纤维趋于显示褶皱横截面，如图3所示，以及如上所述。

[0139] 在凝固浴中用较高乙醇含量加工的本公开的纤维包含中空芯，如图2所示，以及如上所述。

[0140] 实施例3：纤维机械特性

[0141] 图4A–4D和图5‑7显示了测量的具有本文描述的组成并且通过本文描述的方法生产的样品的多种机械特性。

[0142] 本公开的纤维的一些机械特性以单位MPa(即106N/m2，或每单位面积的力)报告，一些以单位cN/tex(每线密度的力)报告。使用定制仪器获得以MPa报告的纤维机械特性的测
量结果，该仪器包括线性致动器和校准负荷传感器，纤维直径通过光显微术测量。使用
FAVIMAT测试设备获得以cN/tex报告的纤维机械特性的测量结果，该仪器包括使用振动方
法(例如根据ASTM D1577)的纤维线密度的测量。为了将测量值从MPa正确转化成cN/tex，使
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用了纤维的堆密度(例如以g/cm计)的估计值。可用于使用以g/cm计的堆密度“BD”将以MPa
计的每单位面积的力“FA”转化成以cN/tex计的每线密度的力“FLD”的表达式为FLD＝FA/
(10*BD)。由于重组丝的堆密度可以改变，以MPa计的纤维韧性的给定值不能翻译成以cN/
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tex计的纤维韧性的给定值。然而，如果假设重组丝的堆密度为1.1至1.4g/cm ，则机械特性
值能够从一组单位在一定误差范围内转化成另一组单位。例如，如果纤维的质量密度是
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1.1g/cm ，则100MPa的最大拉伸应力等于约9.1cN/tex，并且如果纤维的质量密度为1.4g/
3
cm，则100MPa的最大拉伸应力等于约7.1cN/tex。

[0143] 使用包括线性致动器和校准负荷传感器的仪器测试一组4种纤维的拉伸机械特性，其结果显示在图4A中。纤维以每秒1％的应变速率拉动，直到断裂。使用图像处理软件，
用光显微术在20x放大下测量纤维直径。平均直径为10.25um，+/‑1标准差＝6.4–14.1um。平
均最大拉伸应力为97.9MPa，+/‑1标准差＝68.1–127.6MPa。平均最大应变为37.2％，+/‑1标
准差＝‑11.9–86.3％。平均屈服应力为87.4MPa，+/‑1标准差＝59.2–115.6MPa。平均初始模
量(与弹性模量相同，与杨氏模量相同)为5.2GPa，+/‑1标准差＝3.5–6.9GPa。

[0144] 如图4B所示，使用包括线性致动器和校准负荷传感器的仪器测试一组7种纤维的拉伸机械特性。纤维以每秒1％的应变速率拉动，直到断裂。使用图像处理软件，用光显微术
在20x放大下测量纤维直径。平均直径为6.2um，+/‑1标准差＝4.9–7.5um。平均最大拉伸应
力为127.9MPa，+/‑1标准差＝106.4–149.3MPa。平均最大应变为105.5％，+/‑1标准差＝
61.0–150.0％。平均屈服应力为109.8MPa，+/‑1标准差＝91.4–128.2MPa。平均初始模量(与
弹性模量相同，与杨氏模量相同)为5.5GPa，+/‑1标准差＝4.4–6.6GPa。

[0145] 如图4C所示，使用包括线性致动器和校准负荷传感器的仪器测试一组4种纤维的拉伸机械特性。纤维以每秒1％的应变速率拉动，直到断裂。使用图像处理软件，用光显微术
在20x放大下测量纤维直径。平均直径为8.9um，+/‑1标准差＝6.9–11.0um。平均最大拉伸应
力为93.2MPa，+/‑1标准差＝81.4–105.0MPa。平均最大应变为128.9％，+/‑1标准差＝84.0–
173.8％。平均屈服应力为83.3MPa，+/‑1标准差＝64.9–101.7MPa。平均初始模量(与弹性模
量相同，与杨氏模量相同)为2.6GPa，+/‑1标准差＝1.5–3.8GPa。

[0146] 图4D显示了本公开的纤维应力应变曲线，其中最大拉伸应力为大于100MPa，最大拉伸应力为111MPa至130MPa，初始弹性模量(即杨氏模量)为6GPa至7.1GPa，最大应变(即延
伸性)为18％至111％，并且屈服应力为107MPa至112MPa。该图中，一根纤维的极限拉伸应力
也为大于100MPa。

[0147] 不期望受到理论的束缚，推理蜘蛛丝内的蛋白质的结构特性与纤维机械特性相关。纤维中的结晶区域与纤维的拉伸强度相关联，而非晶区域与纤维的延伸性相关联。大壶
状腺(MA)丝趋于比鞭状腺丝具有更高的强度和更差的延伸性，并且类似地，与鞭状腺丝相
比，MA丝的结晶区域的体积分数更高。此外，基于蜘蛛丝蛋白质的结晶区域和非晶区域的分
子动力学的理论模型支持了结晶区域与纤维的拉伸强度相关联，而非晶区域与纤维的延伸
性相关联这一主张。此外，理论建模支持了二级、三级和四级结构对重组蛋白质纤维的机械
特性的重要性。例如，纳米晶体结构域以随机、平行和连续空间分布装配并且非晶区域内缠
结链之间以及非晶区域和纳米结晶区域之间的相互作用力的强度影响了所得纤维的理论
机械特性。

[0148] 使用包括线性致动器和校准负荷传感器的仪器测试本文描述的一组纤维的拉伸机械特性。纤维以每秒1％的应变速率拉动，直到断裂。使用图像处理软件，用光显微术在
20x放大下测量纤维直径。平均最大应力的范围是24‑172MPa。平均最大应变的范围是2‑
342％(例如，参见图5)。平均初始模量的范围是1617‑7040MPa(参见图6)。三根纤维的平均
韧性测量为0.5MJ m‑3(标准差为0.2)、20MJ m‑3(标准差为0.9)和59.2MJ m‑3(标准差为
8.9)。直径的范围是4.48‑12.7μm。一些纤维的横截面被加工成具有平滑表面的圆柱形，一
些具有中空芯，并且一些具有被描述为褶皱的粗糙褶皱表面，(分别见图2和3)。

[0149] 图7显示了本公开的23根纤维的应力应变曲线，其包括最大拉伸应力大于20cN/tex的纤维，并且23根纤维的平均最大拉伸应力为约18.6cN/tex。最大拉伸应力的范围是约
17至21cN/tex，并且在这一实施例中最大拉伸应力的标准差为约1.0cN/tex。23根纤维的平
均初始弹性模量(即杨氏模量)为约575cN/tex，并且在这一实施例中标准差为约6.7cN/
tex。23根纤维的平均最大伸长率为约10.2％，并且在这一实施例中标准差为约3.6％。23根
纤维的平均断裂功(韧性的量度)为约0.92cN*cm，并且在这一实施例中标准差为约0.43cN*
cm。23根纤维的平均线密度为约3.1dtex，并且在这一实施例中标准差为约0.11dtex。

[0150] 其他考虑

[0151] 出于示例的目的，呈现了本公开的实施方案的以上描述；其无意表示全部方案，或者将权利要求限制为公开的精确形式。本领域技术人员能够理解，按照以上公开内容，能够
进行许多修改和改变。

[0152] 主要出于可读性和指导目的，选择了说明书中使用的语言，并且其可能没有被选择成限定或划定创造性主题。因此，期望本公开的范围不受限于这一详细的说明书，而是由
申请时提交的基于其的任何权利要求所限定。因此，实施方案的公开内容预期是示例而非
限制本发明的范围，本发明的范围列于以下权利要求中。