Pająki, z ich skomplikowanymi sieciami i specjalnymi cechami biologicznymi, zawsze intrygowali naukowców. Jednak ich złożony makijaż genetyczny utrudniał na nich korzystanie z nowoczesnych narzędzi edycji DNA-już teraz. Po raz pierwszy naukowcy z powodzeniem zastosowali metodę edycji genów znaną jako CRISPR-CAS9-narzędzie, które działa jak nożyczki molekularne do cięcia i modyfikowania DNA-do pająków. To osiągnięcie nie tylko rzuca światło na to, jak rozwijają się pająki, ale także pokazuje nowe możliwości tworzenia niestandardowego jedwabiu pająków.
Edgardo Santiago-Rivera i profesor Thomas Scheibel z University of Bayreuth poprowadzili badanie, wykorzystując pajęczyny Spider Parasteatoda Tepidariorum, powszechnie używanego modelu pająka w laboratoriach biologii. Osiągnęli dwa ważne cele: zmianę tworzenia się oczu pająka i dodanie nowych cech do jedwabiu, które obracają pająki. Ich odkrycia pojawiają się w recenzowanym czasopiśmie, Angewandte Chemie International Edition.
W jednej części eksperymentu Santiago i profesor Scheibel wyłączyli gen o nazwie Sine Oculis, który jest niezbędny do tworzenia oczu pająków. Kiedy ten gen został wyłączony, niektóre młode pająki urodziły się bez oczu lub z nieprawidłowymi kształtami oczu. Zakres tych zmian był różny, ale w niektórych przypadkach pająki nie miały żadnych oczu – wyraźnie pokazując, jak ważny jest ten gen. W drugiej części badania naukowcy wstawili gen dla białka świecącego czerwoną-w sposób stosowany w laboratoriach do śledzenia aktywności genów-w genu produkującym jedwabne silk pająka. To spowodowało, że pająki produkowały świecące czerwone jedwabne nici, udowadniając, że nowy gen został pomyślnie dodany bez zakłócania sposobu wykonania jedwabiu.
Blask jedwabiu pokazał, że geny jedwabiu pająka można zmienić, aby zawierać nowe cechy. Nawet przy tej zmianie jedwab zachował swoją zwykłą siłę i elastyczność. „Wygenerowany zmutowany jedwab ujawnił czerwoną fluorescencję”, wyjaśnił profesor Scheibel, wskazując, jak niezwykłe jest to, że jedwab pozostał niezmieniony w funkcji pomimo nowego genu.
Badanie potwierdziło również, że Sine Oculis jest absolutnie niezbędna do tworzenia oka. Kiedy ten gen został zredagowany, pająki wykazywały szereg efektów, od lekko opuszczonych oczu do żadnych oczu. Co ciekawe, we wszystkich przypadkach obiektyw – przezroczysta część oka, która koncentruje się na świetle – wciąż się rozwinęła, sugerując, że tworzy się w inny sposób niż inne części oka. To odkrycie daje naukowcom nowy sposób zbadania, w jaki sposób pająki tworzą swoje złożone systemy wizualne. Jak to ujął Santiago: „CRISPR-KO-rozwiezienie nokaut lub wyłączania genu-wprowadził rozwój wszystkich oczu odpowiedniego pająka, wspierając wcześniej opisaną rolę sine oculis”.
Oprócz tego, jak rosną pająki, badanie to otworzyło nowe drzwi w dziedzinie materiałów, badanie zachowania materiałów i jak można je zaprojektować. Silk Spider słynie już z bycia niesamowicie silnym i elastycznym. Teraz, gdy naukowcy mogą zmienić swoje właściwości, edytując geny, mogą sobie wyobrazić, że jedwab świeci, reaguje na ciepło lub nosi inne wbudowane funkcje. Badanie to łączy biologię i naukę materiałową w kreatywny i obiecujący sposób.
Wpływ pracy Santiago i profesora Scheibela może się znacznie osiągnąć poza pająkami. Rozwiązując problemy związane z edycją genów pająka, zespół ułatwił innym naukowcom badanie i modyfikowanie zwierząt, z którymi wcześniej nie były łatwe w pracy. Ich metoda edycji genów może teraz stanowić pomocny przykład eksperymentów z udziałem nietypowych organizmów. Może to prowadzić do nowych odkryć w ewolucji i rozwoju materiałów zaawansowanych technologii.
Referencje dziennika
Santiago-Rivera E., Scheibel T. „Edycja rozwoju oczu Spider i inżynieria włókien jedwabnych przy użyciu CRISPR-CAS”. Angewandte Chemie International Edition, 2025. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202502068
O autorach
Edgardo Santiago-Rivera jest rosnącym naukowcem, którego badania mosty biologię rozwojową i biotechnologię. Jego praca koncentruje się na regulacji genów i mechanizmach molekularnych, które kierują tworzeniem się złożonych cech w nietradycyjnych organizmach modelowych. Na University of Bayreuth odegrał centralną rolę w pionierskiej edycji genów opartych na CRISPR w pająkach-w obszarze wcześniej nietkniętym z powodu wyzwań technicznych. Zainteresowanie Santiago-Rivera polega na badaniu, w jaki sposób geny kształtują cechy fizyczne, takie jak wizja i produkcja jedwabiu, przyczyniając się zarówno do nauki podstawowej, jak i bioinżynierii stosowanej. Jego innowacyjne zastosowanie markerów fluorescencyjnych w jedwabiu pająka otworzyło nowe ścieżki w dziedzinie materiałów, z implikacjami dla technologii noszenia, czujników i materiałów inspirowanych biologicznie. Z dużym zainteresowaniem zarówno rozwojem genetycznym, jak i stosowanym biomateriałami, Santiago-Rivera nadal przekracza granice w biologii eksperymentalnej.
Profesor Thomas Scheibel jest uznanym na całym świecie ekspertem w dziedzinie biomateriałów i biologii syntetycznej. Z siedzibą na University of Bayreuth w Niemczech wniósł znaczący wkład w badanie materiałów na bazie białka, zwłaszcza Silk Spider. Znane z mostowania biologii z inżynierią, badania Scheibel bada, w jaki sposób naturalne materiały można modyfikować lub replikować do innowacyjnych zastosowań w medycynie, tekstyliach i technologii. Poprowadził pierwszą udaną próbę genetycznej edycji genów produkujących jedwabne pająka, umożliwiając pająkom obracanie świecącego jedwabiu-kamień milowy w funkcjonalnych biomateriałach. Dzięki wielu przynależności do wiodących ośrodków badawczych Bayreuth jest on kluczową postacią w rozwoju narzędzi bioinżynierii i zrównoważonych materiałów. Jego praca łączy głębokie zrozumienie biologiczne z rzeczywistym zastosowaniem, mające na celu stworzenie nowych materiałów, które są zarówno wysokie, jak i przyjazne dla środowiska.
