Пауки с их замысловатыми сетями и особыми биологическими особенностями всегда интересовали учёных. Однако их сложный генетический состав мешал использованию современных инструментов для редактирования ДНК — до недавнего времени. Впервые исследователи успешно применили метод генного редактирования, известный как CRISPR-Cas9, — инструмент, который работает как молекулярные ножницы для разрезания и модификации ДНК — к паукам.
Эдгардо Сантьяго-Ривера и профессор Томас Шайбель из Университета Байройта возглавили исследование, используя паука-бродягу Parasteatoda tepidariorum, широко используемого модельного паука в биологических лабораториях. Они достигли двух важных целей: изменили процесс формирования глаз у пауков и добавили новые свойства шёлку, который пауки плетут. Их выводы опубликованы в рецензируемом журнале Angewandte Chemie International Edition.
Изменение процесса формирования глаз у пауков
В одной части эксперимента Сантьяго и профессор Шайбель отключили ген под названием sine oculis, который необходим для формирования глаз у пауков. Когда этот ген был отключён, некоторые молодые пауки родились без глаз или с аномальной формой глаз. Степень этих изменений варьировалась, но в некоторых случаях у пауков вообще не было глаз — это ясно показывает, насколько важен этот ген.
Добавление нового свойства шёлку
Во второй части исследования учёные вставили ген красного светящегося белка — обычно используемого в лабораториях для отслеживания активности генов — в ген, отвечающий за производство шёлка у пауков. Это привело к тому, что пауки начали производить светящиеся красные шёлковые нити, доказав, что новый ген был успешно добавлен без вмешательства в процесс производства шёлка.
Свечение в шёлке показало, что гены, отвечающие за производство шёлка у пауков, можно изменить, чтобы включить новые свойства. Даже с этим изменением шёлк сохранил свою обычную прочность и гибкость. «Полученный мутантный шёлк проявил красную флуоресценцию», — объяснил профессор Шайбель, отметив, как замечательно то, что шёлк остался неизменным по своим функциям, несмотря на новый ген.
Исследование также подтвердило, что ген sine oculis абсолютно необходим для формирования глаз. Когда этот ген был отредактирован, у пауков наблюдался ряд эффектов — от слегка деформированных глаз до полного отсутствия глаз. Интересно, что во всех случаях хрусталик — прозрачная часть глаза, которая фокусирует свет — всё равно развивался, что позволяет предположить, что он формируется иначе, чем другие части глаза. Это открытие даёт учёным новый способ изучения того, как пауки создают свои сложные зрительные системы.
Как сказал Сантьяго, «CRISPR-KO — сокращение от knock-out или отключения гена — повлияло на развитие всех глаз соответствующего паука, подтверждая ранее описанную роль sine oculis».
Открытие новых дверей в материаловедении
Помимо изучения того, как растут пауки, это исследование открыло новые горизонты в материаловедении — изучении поведения материалов и способов их проектирования. Шёлк паука уже известен своей невероятной прочностью и эластичностью. Теперь, когда учёные могут изменять его свойства, редактируя гены, они могут представить себе создание шёлка, который светится, реагирует на тепло или имеет другие встроенные свойства. Это исследование объединяет биологию и материаловедение творческим и многообещающим образом.
Влияние работы Сантьяго и профессора Шайбеля может выйти далеко за пределы изучения пауков. Решив проблемы редактирования генов пауков, команда упростила другим учёным изучение и модификацию животных, с которыми раньше было сложно работать. Их метод редактирования генов может теперь служить полезным примером для экспериментов с необычными организмами. Это может привести к новым открытиям в области эволюции и разработки высокотехнологичных материалов.
Ссылка на журнал
Сантьяго-Ривера Э., Шайбель Т. «Редактирование развития глаз у пауков и инженерия шёлковых волокон с использованием CRISPR-Cas». Angewandte Chemie International Edition, 2025. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202502068
Об авторах
Эдгардо Сантьяго-Ривера — перспективный учёный, чьи исследования объединяют эволюционную биологию и биотехнологию. Его работа сосредоточена на регуляции генов и молекулярных механизмах, которые управляют формированием сложных признаков у нетрадиционных модельных организмов. В Университете Байройта он сыграл центральную роль в разработке метода CRISPR-based для редактирования генов у пауков — области, которая ранее не была затронута из-за технических проблем.
Сантьяго-Ривера исследует, как гены формируют физические признаки, такие как зрение и производство шёлка, внося свой вклад как в фундаментальную науку, так и в прикладную биоинженерию. Его инновационное использование флуоресцентных маркеров в шёлке пауков открыло новые пути в материаловедении, что имеет значение для создания носимых технологий, датчиков и биоматериалов.
Профессор Томас Шайбель — всемирно признанный эксперт в области биоматериалов и синтетической биологии. Находясь в Университете Байройта в Германии, он внёс значительный вклад в изучение материалов на основе белков, особенно шёлка пауков. Известный тем, что соединяет биологию с инженерией, Шайбель исследует, как природные материалы можно модифицировать или воспроизвести для инновационного использования в медицине, текстиле и технологиях.
Он возглавил первую успешную попытку генетически отредактировать гены, отвечающие за производство шёлка у пауков, что позволило паукам плести светящийся шёлк — важный шаг в создании функциональных биоматериалов. С многочисленными связями в ведущих исследовательских центрах Байройта он является ключевой фигурой в продвижении инструментов биоинженерии и устойчивых материалов.
Его работа сочетает глубокое биологическое понимание с практическим применением, направленным на создание новых материалов, которые являются одновременно высокоэффективными и экологически чистыми.