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篇(1)

目前基因技術(shù)在紡織纖維制造領(lǐng)域的應(yīng)用,在天然纖維方面已采用基因技術(shù)成功研究開發(fā)了天然彩色棉纖維和不皺棉纖維,國內(nèi)外均已產(chǎn)業(yè)化;近年來有色羊毛也頗受關(guān)注;通過仿生技術(shù)研發(fā)、轉(zhuǎn)基因方法制造的化學(xué)纖維――仿蜘蛛絲纖維,雖然不完全成熟,但前景無疑亦是十分廣闊。

關(guān)鍵詞:基因技術(shù);仿蜘蛛絲纖維;天然彩色棉纖維;不皺棉花;無染色羊毛

由于基因密碼的破解以及基因復(fù)制、移植技術(shù)的不斷進(jìn)步,基因技術(shù)已成為21世紀(jì)最重要的科學(xué)技術(shù)之一。在功能性紡織纖維領(lǐng)域,基因技術(shù)正逐漸成為各國科學(xué)家研究開發(fā)科技競爭的重點,新的研究成果不斷涌現(xiàn)。

1仿蜘蛛絲纖維

蜘蛛絲是一種特殊的蛋白質(zhì),它憑借強(qiáng)度好、彈性好、初始模量大、斷裂功大等優(yōu)良的力學(xué)性能,以及輕盈、耐紫外線、既耐高溫又耐低溫、生物可降解這些特性,被譽(yù)為“能改變?nèi)祟惿畹男乱淮锢w維材料” [1],在人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而,天然蜘蛛絲產(chǎn)量極其有限,且蜘蛛很難養(yǎng)殖,故仿蜘蛛絲纖維的研發(fā)成了當(dāng)今國際纖維界的熱門課題。目前國際上普遍采用生物技術(shù)的轉(zhuǎn)基因方法來制造仿蜘蛛絲纖維。

1.1利用牛、羊奶制造仿蜘蛛絲纖維

1997年初,美國生物學(xué)家安妮?穆爾發(fā)現(xiàn)在美國南部有種名為“黑寡婦”的蜘蛛能分泌出兩種不同類型的絲用于織網(wǎng)。其中一種絲的強(qiáng)度超過其他蜘蛛絲的兩倍,另一種絲,在拉斷前很少延伸,但具有很高的斷裂強(qiáng)度,比制造防彈背心的芳綸纖維的強(qiáng)度還要高得多。為了獲得“黑寡婦”蜘蛛絲蛋白,將其基因注入奶牛的胎盤內(nèi)進(jìn)行特殊培育,等到奶牛長成后,所產(chǎn)下的奶中就含有“黑寡婦”蜘蛛絲蛋白,再用乳品加工設(shè)備將蜘蛛絲蛋白從牛奶中提煉出來,然后紡成纖維。這種纖維既保持了牛奶纖維的精美和柔韌,其強(qiáng)度又比鋼強(qiáng)度大10倍,因此被稱為“牛奶鋼”。1999年起,美國科學(xué)家利用轉(zhuǎn)基因的辦法,準(zhǔn)備培養(yǎng)繁殖大量轉(zhuǎn)基因奶牛,以滿足大規(guī)模生產(chǎn)“牛奶鋼”的需求,用以制造防彈背心,輕量型頭盔、降落傘繩等[2]。

加拿大的尼克西公司成功地利用轉(zhuǎn)基因山羊奶制造出了少量蜘蛛絲。研究人員將蜘蛛體內(nèi)產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白的基因移植到山羊受精卵的細(xì)胞核內(nèi),培養(yǎng)出轉(zhuǎn)基因山羊,這樣轉(zhuǎn)基因的母山羊在發(fā)育成熟以后產(chǎn)出的羊奶中便含有了蜘蛛絲蛋白,然后在羊奶中加入特殊的溶劑就能抽出與真正蜘蛛絲相媲美的纖維。這種蜘蛛絲纖維在機(jī)械強(qiáng)度上可以與真正的蜘蛛絲相比,同樣具有天然蜘蛛絲的韌性。據(jù)稱,每只山羊每年可產(chǎn)3.65kg絲,該公司已將用這種仿蜘蛛絲纖維開發(fā)的工業(yè)和醫(yī)藥生物產(chǎn)品投入市場,每年可產(chǎn)生高達(dá)1億美元的銷售額[3]。

我國也在幾年前開始了仿蜘蛛絲纖維的研究,科學(xué)家成功地將蜘蛛絲蛋白基因轉(zhuǎn)移到老鼠身上,并成功地從第一代小白鼠的乳汁中獲得蜘蛛絲蛋白,不久將開始培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因奶牛[4]。

1.2利用家蠶制造仿蜘蛛絲纖維

中國科學(xué)院上海生命科學(xué)、生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所科研人員經(jīng)過數(shù)年攻關(guān),解決了轉(zhuǎn)基因蠶基因?qū)搿⒒钚曰蜩b定以及傳代育種等一系列技術(shù)問題,成功地用“電穿孔”的方法,將蜘蛛“牽引絲”部分的基因注入只有半粒芝麻大的蠶卵中,使家蠶分泌出含有蜘蛛牽引絲蛋白的蠶絲。此研究被列為國家“863”計劃重點項目,目前正在進(jìn)行中[5]。

1.3利用植物制造仿蜘蛛絲纖維

將蜘蛛絲基因移植入植物,培育出能夠產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白的轉(zhuǎn)基因植物。美國有報道稱,將蜘蛛絲基因移植到煙葉的基因中,使得煙葉在生長時除了可以產(chǎn)生尼古丁外也可以產(chǎn)生蜘蛛絲蛋白,隨后可利用急速冷凍破碎、煮沸等方式制取含蜘蛛絲蛋白的紡絲溶液[6]。

1.4利用生物工程技術(shù)制造仿蜘蛛絲纖維

科學(xué)家們通過大量的工作,用生物化學(xué)方法對蜘蛛絲蛋白和腺體分泌物進(jìn)行了研究,分離了蜘蛛絲蛋白基因編碼的核苷酸序列,建立了數(shù)據(jù)庫。利用DNA合成技術(shù)成功地建立了不同蜘蛛絲蛋白片段的基因序列模型,用這種模型可制造出一種合成基因,利用這種基因可生產(chǎn)出96.1%的基因序列與天然蜘蛛絲蛋白相同的產(chǎn)品。接下來的工作是大規(guī)模地生產(chǎn)這種蜘蛛絲蛋白[7]。

美國杜邦公司正著力于運用生物工程技術(shù)來大規(guī)模仿造蜘蛛絲。他們首先用先進(jìn)的計算機(jī)模擬技術(shù)建立蜘蛛絲蛋白質(zhì)各種成分的分子模型,然后運用遺傳學(xué)基因合成技術(shù)將遺傳基因植入酵母菌或細(xì)菌,利用工業(yè)發(fā)酵的方法使這種微生物在繁殖過程中大量產(chǎn)生類似于蜘蛛絲蛋白的蛋白質(zhì)。通過這種方法產(chǎn)生的仿蜘蛛絲蛋白質(zhì),其溶解后抽出的絲,具有質(zhì)輕、強(qiáng)力好、有彈性等特點,纖度可達(dá)真絲的1/10,強(qiáng)度是相同纖度鋼絲的510倍[8]。

2天然彩色棉纖維

彩色棉是一種具有天然色彩的新型棉花,采用有機(jī)耕作種植,無需漂染加工,廢棄后可循環(huán)再生,真正實現(xiàn)了從纖維生產(chǎn)到成衣加工全過程的“零污染”,因此它是綠色棉紡織品的首選原料,是21世紀(jì)最具市場潛力的綠色紡織品之一。大力推廣種植天然彩色棉花,在我國尤為重要,它將有助于打破發(fā)達(dá)國家“綠色貿(mào)易壁壘”,為我國的紡織業(yè)出口開辟一條“綠色通道”。

彩色是棉花本身的一種生物學(xué)特性。棉花的祖先,其顏色就是多姿多彩。然而隨著染色技術(shù)的發(fā)明,人們可以通過再加工獲得各色棉花,從而導(dǎo)致人們大量地種植白棉,而不再培育、種植其他色彩的棉花,漸漸的其他色彩的棉花被人類所拋棄。進(jìn)入20世紀(jì),人類的歷史翻開了新的篇章,文明的進(jìn)程前所未有地加快了步伐,環(huán)境污染問題也日益突顯,成為困擾世界各國人類發(fā)展的重大隱患,這時人們對彩色棉花又有了新的認(rèn)識,發(fā)現(xiàn)它具有白棉所不可替代的環(huán)保優(yōu)勢。

如今天然彩色棉纖維的獲得方法,一是從自然界中尋找上古繁衍至今的彩棉活體,作為親本進(jìn)行馴化、改良;二是運用轉(zhuǎn)基因技術(shù),航天育種技術(shù)等高科技手段進(jìn)行新品種的培育。

蘇聯(lián)最早于20世紀(jì)50年代初開始研究彩棉,美國從20世紀(jì)60年代加入到利用彩棉的大軍中來,1972年,美國科學(xué)家在該技術(shù)領(lǐng)域獲得成功,且在其后的幾十年間不斷進(jìn)步。1993年,美國阿格拉斯圖公司開始研究開發(fā)用于制作藍(lán)色牛仔布的天然靛藍(lán)棉花品種,把靛青植物中控制藍(lán)色的基因插入植株中,并使其只在棉花纖維中作用,這樣整個棉花植株中只有棉花纖維變成藍(lán)色[9]。截至目前,世界上主要有美國、俄羅斯、埃及、阿根廷、印度等國研究種植彩棉,主要顏色為棕、綠、紅、鴨蛋青、藍(lán)、黑。

我國具有悠久的棉花種植歷史,1819年,我國江浙一帶就種植過紫花布出口歐洲[10]。歷史上由于彩棉產(chǎn)量小、纖維短而不適應(yīng)紡織工業(yè)的要求,所以生產(chǎn)上很難直接利用。進(jìn)入20世紀(jì)70年代,河南、安徽等地也種植過很少的一部分彩棉用于研究。彩棉在我國的正式大規(guī)模研究種植還是在20世紀(jì)90年代。我國于1994年引進(jìn)了這項技術(shù),盡管起步較晚,但是發(fā)展很快。現(xiàn)已成功地種植出棕、綠、紅、黃、橙、紫、灰等色澤的彩棉品種,畝產(chǎn)已達(dá)95kg～113kg,其品質(zhì)優(yōu)于美國最好的品種,達(dá)到了國際領(lǐng)先水平[11]。

3天然“不皺棉花”

采用生物基因技術(shù),不僅可以開發(fā)出天然彩色棉,而且可以得到天然“不皺棉花”。據(jù)美國農(nóng)業(yè)生活技術(shù)公司宣布,他們已經(jīng)培育出帶有外源基因的“不皺棉花”。這種基因來自能生產(chǎn)PHB(聚羥基丁酸酯)聚合物的細(xì)菌,將這種細(xì)菌的基因?qū)朊藁ǖ募?xì)胞,生長出來的新棉花仍保留原有的吸水、柔軟等性能,但其保溫性、強(qiáng)度、抗皺性均高于普通棉纖維。因此,用這種“不皺棉花”制成的襯衫可免燙,從而消除含有大量甲醛的抗皺性對人體的影響。

4無染色羊毛

利用生物基因技術(shù)得到的彩色棉纖維,可以解決纖維產(chǎn)品在染色加工時帶來的環(huán)境污染,同樣的思路也啟發(fā)人們重新認(rèn)識動物性資源的纖維。

有關(guān)學(xué)者提出,無染色羊毛也是一種利于生態(tài)環(huán)境的紡織纖維。對于綠色纖維無染色羊毛產(chǎn)品而言,毛織物的顏色就是原來羊毛的顏色,如奶白色、棕色、灰色等,不需要經(jīng)任何其他的染色加工工藝[12]。近年來,澳大利亞用身長藍(lán)色毛的綿羊經(jīng)過配種繁殖了蘇塞克斯種的彩色綿羊,這群羊經(jīng)數(shù)代繁殖后羊毛沒有褪色且毛質(zhì)優(yōu)良。找出主導(dǎo)基因則有望培育繁殖彩色綿羊,可以預(yù)見,在不久的將來,將會在彩色纖維家族增添天然彩色羊毛。

5結(jié)語

生物技術(shù)的第三次浪潮已席卷紡織材料、燃料、化學(xué)品等消費品的制造業(yè),基于基因技術(shù)開發(fā)的新型紡織纖維的品種在未來會不斷涌現(xiàn),并極大程度地改善人們的生活。

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