В тихой лаборатории в Байройте, Германия, команда исследователей добилась того, что долгое время не удавалось генетикам: они модифицировали геном паука, создав живой организм, способный производить флуоресцентный шёлк. Используя CRISPR-Cas9 — мощную технологию редактирования генов, удостоенную Нобелевской премии по химии в 2020 году, — учёные модифицировали обычный вид домашнего паука Parasteatoda tepidariorum, чтобы он мог плести нити, светящиеся красным под ультрафиолетовым светом.
Модифицированный шёлк, переливающийся в свете лабораторных ламп, — это не просто научная диковинка. Он сигнализирует о первом успешном применении CRISPR у пауков и может знаменовать начало новой главы в исследованиях биоматериалов. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Angewandte Chemie, команде удалось вставить ген, кодирующий красный флуоресцентный белок, непосредственно в геном, отвечающий за производство шёлка.
Редактирование генома по одному яйцу
Прорыв был достигнут под руководством биохимика Томаса Шайбела из Университета Байройта. Его команда задалась целью выяснить, почему пауки до сих пор оставались вне пределов досягаемости для экспериментов с CRISPR. «Учитывая широкий спектр возможных применений, — сказал Шайбел, — удивительно, что до сих пор не было исследований, использующих CRISPR-Cas9 у пауков».
Чтобы преодолеть биологические трудности, связанные с пауками, — в частности, их чувствительность к внешнему воздействию и сложные репродуктивные системы, — команда нацелилась на ооциты анестезированных самок пауков. Введя компоненты CRISPR непосредственно в эти неоплодотворённые яйца, они смогли изменить ДНК до того, как она соединилась с мужским генетическим материалом.
Их первой целью был ген sine oculis, участвующий в развитии глаз. Модифицированные паучата, появившиеся на свет без глаз, продемонстрировали, что «выключение» генов возможно у арахнидов. Этот результат подтвердил эффективность метода, прежде чем приступать к более сложным модификациям.
От генов глаз до паучьего шёлка
Получив подтверждение концепции, исследователи сосредоточили внимание на шёлке, а именно на белках, известных как спидроины, которые формируют его структуру. Они ввели последовательность гена, кодирующую красный флуоресцентный белок, в тот же геномный регион, стремясь изменить состав самого шёлка.
Когда паучата повзрослели, некоторые из них начали плести страховочные нити, которые светились ярко-красным под УФ-светом. Согласно исследованию, этот результат стал первым конкретным доказательством того, что CRISPR можно использовать для функционального изменения белков паучьего шёлка. «Мы впервые в мире продемонстрировали, — заявил Шайбел, — что CRISPR-Cas9 можно использовать для включения желаемой последовательности в белки паучьего шёлка, тем самым обеспечивая функционализацию этих шёлковых волокон».
Материал, не имеющий аналогов
Интерес к паучьему шёлку выходит далеко за рамки его необычного происхождения. Обладая прочностью на разрыв, сравнимой со сталью, и гибкостью, не уступающей резине, паучий шёлк давно считается образцовым материалом для промышленного и биомедицинского применения. В отличие от синтетических волокон, он также биоразлагаем и лёгок.
Исторически попытки разводить пауков для получения шёлка терпели неудачу из-за их одиночного и часто каннибальского поведения. Синтетические альтернативы постепенно совершенствовались, но способность генетически программировать пауков для производства модифицированного шёлка представляет собой совершенно новый подход.
Хотя исследователи подчёркивают, что исследование в значительной степени является демонстрацией возможности, последствия значительны. Возможность адаптировать свойства шёлка на генетическом уровне может позволить учёным разрабатывать специальные волокна для использования во всём: от хирургии до аэрокосмической промышленности. На данный момент светящиеся нити служат как маркером успеха, так и намёком на то, что может прийти дальше.