اولین عنکبوت‌ ژنتیکی جهان با تار قرمز فلورسانس؛ انقلابی در تولید ابریشم پیشرفته

1

دانشمندان موفق شده‌اند گونه‌ای از عنکبوت‌ها را پرورش دهند که تارهایی به رنگ قرمز درخشان و فلورسانس تولید می‌کنند. این دستاورد چشمگیر نشان می‌دهد که می‌توان ابریشم عنکبوت را درون بدن زنده ویرایش ژنتیکی کرد. این کشف مسیر جدیدی را برای تولید الیاف سفارشی با ویژگی‌هایی مانند استحکام قابل تنظیم، کشسانی و شیمی سطحی خاص هموار می‌کند.

پشت صحنه این کشف علمی

گروه تحقیقاتی دانشگاه بایرویت آلمان

این آزمایش‌ها توسط گروه پژوهشی بیومتریال در دانشگاه بایرویت انجام شد. تیم پژوهشی با استفاده از سیستم ویرایش ژن CRISPR-Cas9، ژنی برای تولید یک پروتئین فلورسانس قرمز را در DNA تولیدکننده پروتئین ابریشم عنکبوت وارد کردند. موفقیت این ویرایش زمانی تأیید شد که نوزادان حاصل از این فرایند، تارهایی به رنگ قرمز تیره با درخشش خاص تولید کردند.

چرا ابریشم عنکبوت برای مهندسان جذاب است؟

ابریشم پایه‌ای (Dragline Silk) که عنکبوت‌ها از آن برای فرار یا ایمنی استفاده می‌کنند، از بسیاری از الیاف مصنوعی عملکرد بهتری دارد. این تارها در برابر پارگی مقاوم‌اند، کش می‌آیند بدون اینکه بشکنند، بسیار سبک هستند و در طبیعت بدون ایجاد آلودگی تجزیه می‌شوند.

اگر فرمول مولکولی این ابریشم قابل تغییر باشد، می‌توان در آینده تارهایی با مقاومت بیشتر تولید کرد که کاربردهایی مانند فعالیت ضد میکروبی یا رسانایی الکتریکی داشته باشند. در دهه گذشته، CRISPR-Cas9 به ابزاری دقیق برای ویرایش ژن‌ها تبدیل شده است.

فرایند ویرایش: از تزریق تخمک تا تارهای درخشان

استفاده از پروتئین فلورسانس قرمز

پروفسور توماس شایبل به همراه پژوهشگر دکتری، اِدگاردو سانتیاگو-ریورا، ترکیبی از اجزای ویرایش ژن و توالی کدگذاری پروتئین فلورسانس قرمز را تهیه کردند. آن‌ها این محلول را به تخم‌های بارور نشده عنکبوت‌ها تزریق کرده، سپس عنکبوت‌های ماده را با نرها جفت‌گیری دادند.

از آنجا که ویرایش ژنی قبل از لقاح انجام شد، تمام سلول‌های نوزادان حامل نقشه ژنتیکی جدید بودند. زمانی که این عنکبوت‌های جوان شروع به تنیدن خطوط ایمنی کردند، این تارها در زیر نور آبی به رنگ قرمز می‌درخشیدند که نشان‌دهنده موفقیت‌آمیز بودن فرایند ویرایش ژن بود.

اولین استفاده موفق از CRISPR-Cas9 در عنکبوت‌ها

پروفسور شایبل می‌گوید:
«ما برای اولین بار در جهان نشان دادیم که می‌توان از CRISPR-Cas9 برای وارد کردن توالی دلخواه به پروتئین‌های ابریشم عنکبوت استفاده کرد. این توانایی، امکان عملکردی‌سازی تارهای ابریشم را فراهم می‌کند.»

یافته‌های علمی از ابریشم قرمز

نقش نشانگر فلورسانس

پروتئین فلورسانس قرمز نقش یک نشانه‌گر را دارد که نشان می‌دهد پروتئین‌های اصلاح‌شده کجا و چگونه در تار ابریشم ترکیب شده‌اند. این دیدگاه جدید، به دانشمندان کمک می‌کند تا ارتباط میان توالی آمینواسیدی، فرایند تنیدن و ویژگی‌های نهایی تار را بهتر درک کنند.

پتانسیل برای کاربردهای گسترده‌تر

اکنون دانشمندان می‌توانند ماژول‌های جدیدی را آزمایش کنند که ویژگی‌هایی مانند سختی بیشتر، چسبندگی تغییر یافته یا حمل داروهای درمانی را به تار اضافه کنند.

ابریشم مصنوعی در برابر ابریشم طبیعی

مقایسه روش‌های پیشین با ویرایش مستقیم عنکبوت

پیش‌تر، دانشمندان تلاش کردند ژن‌های عنکبوت را به میزبان‌هایی مانند باکتری، مخمر، گیاه یا حتی بز منتقل کنند. با اینکه این میزبان‌ها پروتئین خام تولید می‌کردند، اما تارهای حاصل از آن‌ها هرگز کیفیت تار طبیعی عنکبوت را نداشتند. چرا که فرایند تنیدن طبیعی در هوای آزاد با فرایند تولید صنعتی بسیار متفاوت است.

ویرایش مستقیم ژنوم عنکبوت اجازه می‌دهد فرایند طبیعی تولید ابریشم حفظ شود و در عین حال ویژگی‌های دلخواه به آن اضافه گردد؛ بدون آنکه ساختار نانویی پیچیده تار از بین برود.

توازن میان نوآوری و زیست‌بوم

عنکبوت‌های ویرایش ژنی شده فقط در آزمایشگاه‌های ایمن نگهداری می‌شوند و تیم تحقیقاتی تأکید می‌کند که تولید در مقیاس وسیع، نیازمند اقدامات سخت‌گیرانه ایمنی است. چون عنکبوت‌ها نقش کلیدی در اکوسیستم‌ها دارند، هر گونه رهاسازی آن‌ها در طبیعت نیاز به ارزیابی‌های دقیق زیست‌محیطی دارد.

در حال حاضر تمرکز پژوهش‌ها روی درک بنیادی فرایند و کاربردهای خاص و کم‌حجم مانند نخ بخیه جراحی یا فنرهای میکرو-مکانیکی است.

آینده تارهای عنکبوتی مهندسی شده

رنگ‌های جدید و کاربردهای پیشرفته

اکنون که ثابت شده می‌توان پروتئین‌های پیچیده را در تار ابریشم ادغام کرد، گروه تحقیقاتی بایرویت قصد دارد توالی‌هایی را وارد کند که مقاومت، کشسانی و توانایی‌های حسگری تار را افزایش دهند.

استفاده از رنگ‌هایی فراتر از قرمز می‌تواند به نقشه‌برداری عملکردی در ابعاد میکروسکوپی کمک کند. پژوهشگران همچنین قصد دارند سایر انواع ابریشم تولیدی عنکبوت – که هر کدام وظایفی چون شکار، محافظت از تخم‌ها یا ساخت لانه دارند – را بررسی کنند تا ببینند فناوری CRISPR تا کجا می‌تواند طراحی طبیعت را گسترش دهد.

نقطه عطفی در تولید پایدار الیاف

ترکیب فناوری ویرایش ژنی با قابلیت بافتن الیاف از سوی عنکبوت، فصل جدیدی در علم مواد زیستی باز می‌کند. این نوید آینده‌ای را می‌دهد که در آن تارهای زیست‌تخریب‌پذیر، در دمای محیط و بدون نیاز به پتروشیمی یا کارخانه‌های آلاینده توسط کارخانه‌های کوچک هشت‌پا تولید شوند.

در حال حاضر، درخشش قرمز در یک رشته ابریشم عنکبوت نشانه‌ای است از اینکه این آینده نه‌تنها ممکن، بلکه اکنون آغاز شده است.

این مطالعه در نشریه  Angewandte Chemie منتشر شده است.