Technologia CRISPR/Cas9 od ponad dekady przekształca świat biologii molekularnej, umożliwiając precyzyjne edycje genomu u roślin, zwierząt, a nawet ludzi. Do tej pory jednak pająki pozostawały poza zasięgiem inżynierii genetycznej. Wszystko zmieniło się za sprawą zespołu z Uniwersytetu w Bayreuth, który przeprowadził pionierski eksperyment z udziałem Parasteatoda tepidariorum, pająka domowego, powszechnie występującego w Europie i Ameryce Północnej.
Czytaj też: Czy w jaskiniach i kopalniach żyją gigantyczne pająki? Prawda może zaskoczyć!
Naukowcy nie tylko udanie zmodyfikowali jego genom, ale i uzyskali trwałe zmiany w materiale produkowanym przez pająka – jedwabie, który świeci na czerwono pod wpływem światła UV. Do osiągnięcia tego celu wykorzystano mikroiniekcję – do niezapłodnionych jaj samic wstrzyknięto fragment DNA kodujący białko fluorescencyjne, po czym samice zostały skojarzone z samcami. Potomstwo tych par produkowało jedwab o wyraźnie zmienionych właściwościach optycznych – bez zakłócenia jego struktury mechanicznej.
Prof. Thomas Scheibel z Uniwersytetu w Bayreuth wyjaśnia:
Po raz pierwszy na świecie pokazaliśmy, że technika CRISPR/Cas9 może zostać wykorzystana do wprowadzenia precyzyjnie zaprojektowanego genu w sekwencję białek pajęczego jedwabiu, umożliwiając jego funkcjonalizację.
Jedwab pająka – supermateriał w nowym świetle
Pajęczy jedwab od dawna uznawany jest za jeden z najbardziej niezwykłych materiałów biologicznych. Lżejszy od bawełny, a jednocześnie mocniejszy od stali (przy tej samej masie), odporny na rozciąganie i całkowicie biodegradowalny – jawi się jako idealny surowiec dla zastosowań przyszłości. Jednak trudności w hodowli pająków i ich zachowania terytorialno-kanibalistyczne sprawiają, że dotąd większość badań skupiała się na syntetycznej produkcji jedwabiu z wykorzystaniem bakterii, roślin lub jedwabników.
Czytaj też: Ten jedwab jest znacznie wytrzymalszy od jedwabiu pajęczego. Wystarczyły proste modyfikacje chemiczne
Po wielu latach, naukowcy udowodnili, że możliwa jest modyfikacja samych pająków w sposób, który zmienia właściwości ich nici. I to nie tylko kolorystycznie – jak w przypadku czerwonej fluorescencji – ale potencjalnie także mechanicznie czy funkcjonalnie. Kolejne iteracje mogą prowadzić do wzrostu wytrzymałości nici, jej przewodnictwa elektrycznego czy zastosowania w fotonice.
Eksperyment z czerwonym jedwabiem to tylko jedna strona medalu. Drugim ważnym elementem pracy badawczej był tzw. CRISPR-KO, czyli genetyczne “wyciszenie” wybranego genu. Naukowcy skupili się na genie “so”, który – jak przypuszczano – odpowiada za rozwój oczu u pająków. Jego zablokowanie sprawiło, że wyhodowane osobniki rodziły się bez oczu, co jednoznacznie potwierdziło jego kluczową rolę w procesie embriogenezy.
Choć może brzmieć to jak eksperyment rodem z laboratorium doktora Frankensteina, badanie to miało wyłącznie charakter poznawczy – pozwala lepiej zrozumieć anatomię i genetykę pająków, które mimo powszechności pozostają jednymi z najmniej zbadanych bezkręgowców pod względem genetycznym.
Osiągnięcie niemieckich badaczy nie sprowadza się do efektownego triku z fluorescencją. To potencjalna platforma dla nowej klasy biomateriałów. Wyobraźmy sobie chirurgiczne nici, które zmieniają kolor w kontakcie z infekcją, tkaniny samonaprawiające się pod wpływem światła, czy biosensory wbudowane w implanty medyczne.
Jedwab o zmodyfikowanych właściwościach może znaleźć zastosowanie w inżynierii tkankowej, gdzie służy jako rusztowanie dla wzrostu komórek, ale też w elektronice przyszłości – jako przewodnik w ultraelastycznych układach. W tym kontekście fluorescencja to zaledwie pierwszy krok ku funkcjonalizacji materiału, którego ewolucja trwała miliony lat.
Wyniki pracy zespołu prof. Scheibela zostały opublikowane w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition. Choć projekt dotyczy pojedynczego gatunku, to sama metoda może zostać z czasem zaadaptowana do innych pająków, produkujących jeszcze mocniejsze nici.