حقق الباحثون في جامعة بايرويت إنجازًا غير مسبوق في مجال التكنولوجيا الحيوية من خلال تطبيق أداة تحرير الجينات CRISPR-Cas9 على العناكب. أسفرت التجربة عن إنشاء عينات تنتج حريرًا ذو فلورة حمراء شديدة. يغير التعديل بشكل مباشر خصائص المادة البيولوجية التي يصنعها الحيوان. يؤسس هذا الاختراق منصة جديدة لتطوير المواد الحيوية المتقدمة. توضح هذه التقنية جدوى معالجة الشفرة الوراثية للكائنات الحية المعقدة التي تنسج الألياف الهيكلية.
استخدم البحث الأنواع الداجنة الشائعة المعروفة علمياً باسم Parasteatoda tepidariorum. أجرى العمل فريق البروفيسور توماس شيبل وتم تفصيل نتائجه في منشور في المجلة العلمية Angewandte Chemie. يمثل إدخال جينات محددة في الخلايا المنتجة للويب التغلب على الحواجز التقنية التاريخية في البيولوجيا الجزيئية. حافظت هذه الطريقة على قدرة الغزل الطبيعية للحيوانات مع إضافة خاصية بصرية جديدة للغزل.
عملية التعديل الوراثي في البيض
بدأ بروتوكول المختبر بحقن مكونات نظام كريسبر مباشرة في بيض العنكبوت غير المخصب. ويحتاج العلماء إلى التأكد من وصول المادة الوراثية المتبرع بها وإنزيم القطع إلى الأهداف المحددة قبل التطور الجنيني الكامل. أجرى الفريق اختبارًا أوليًا استهدف الجين المسؤول عن تكوين العيون العنكبوتية. أنتجت هذه المرحلة كلابًا بدون رؤية منظمة في بعض الحالات. وأكدت النتيجة دقة أداة التحرير والتحقق من صحة طريقة توصيل المكونات الجينية.
وبعد التحقق الأولي، انتقل الباحثون إلى الهدف الرئيسي للتجربة. وقاموا بإدخال جين خارجي يشفر بروتين الفلورسنت الأحمر في خلايا محددة في بطن العنكبوت. تحتوي هذه الخلايا على الغدد المسؤولة عن تخليق السبيدروين، وهي البروتينات الأساسية التي يتكون منها حرير السحب. حدث دمج الجين الجديد بشكل ثابت في جينوم Parasteatoda tepidariorum. وبدأت النسل الناتج عن هذا الإخصاب الطبيعي بالتعبير عن الصفة المضيئة بطريقة وراثية.
الخصائص الهيكلية للألياف البيولوجية الجديدة
حافظ الحرير الذي تم الحصول عليه من العينات المعدلة على جميع خصائصه الميكانيكية الأصلية سليمة. كان إدخال الفلورسنت الأحمر بمثابة دليل على مفهوم تفعيل المادة دون المساس بسلامتها الجسدية. وأكدت الاختبارات المعملية أن البروتين المضيء اندمج بشكل مثالي في حرير الأمبولات الرئيسي. هذا النوع المحدد من الخيوط معروف على نطاق واسع في الأدبيات العلمية بسبب قوة الشد القصوى وقدرته العالية على امتصاص الصدمات الهيكلية.
تتمتع المواد الطبيعية التي تنتجها هذه المفصليات بالفعل بصفات تفوق تلك الموجودة في العديد من السبائك المعدنية الاصطناعية المستخدمة في الصناعة. وتجمع الألياف بين القوة المماثلة للفولاذ والخفة والمرونة التي لا يمكن تحقيقها بواسطة البوليمرات الاصطناعية التقليدية. ظلت قدرة التجميع الذاتي لجزيئات السبيدروين أثناء عملية الغزل دون تغيير في العناكب المحررة. يصبح الفلورسنت الأحمر مرئيًا فقط في ظل ظروف الإضاءة المناسبة بأطوال موجية محددة.
- تم اختيار النوع Parasteatoda tepidariorum لقدرته على التكيف مع بيئة المختبر.
- قامت أداة CRISPR-Cas9 بإجراء عمليات إدخال الجينات وإزالتها بدقة عالية.
- ويعمل الجين المعدل مباشرة على بروتين حرير السحب الرئيسي للحيوان.
- يعد التوهج الأحمر للألياف بمثابة علامة مرئية لنجاح التكامل الجيني.
- تم توثيق الدراسة الكاملة في صفحات مجلة Angewandte Chemie.
لقد واجه إنتاج حرير العنكبوت على نطاق واسع دائمًا عقبات بيولوجية شديدة على مر العقود. على عكس دودة القز، التي يمكن تربيتها في مستعمرات صناعية كثيفة، تظهر العناكب سلوكًا إقليميًا للغاية وميولًا لأكل لحوم البشر. هذه الطبيعة الانفرادية تجعل الزراعة في مزارع الاستخراج التقليدية غير مجدية. ويظهر تحرير الجينات كطريقة بديلة للتغلب على هذه القيود البيولوجية. ومن خلال فهم الجينات المنتجة ومعالجتها، يقترب العلم من القدرة على تكرار هذه الألياف أو تحسينها في الأنظمة الخاضعة للرقابة.
التطبيقات المصممة لهندسة المواد
إن القدرة على إدراج تسلسلات جينية محددة في بروتينات الويب تفتح مجالًا واسعًا من الإمكانيات للصناعة العالمية. يمكن تصميم الألياف المخصصة لتلبية المتطلبات الصارمة للقطاع الهندسي والطبي المتطور. يعتبر حرير العنكبوت بالفعل مرشحًا مثاليًا لتصنيع الغرز الجراحية نظرًا لتوافقه الحيوي ومعدل تحلله الطبيعي في جسم الإنسان. يعد خط الصيد القابل للتحلل الحيوي والأقمشة الواقية الباليستية أيضًا من بين التطبيقات المحتملة للمواد المحسنة في المختبر.
يشير النجاح في دمج البروتين الفلوري إلى إمكانية إضافة وظائف معقدة أخرى في المستقبل القريب. يمكن للعلماء برمجة الشفرة الوراثية لزيادة القوة الميكانيكية أو تغيير التوصيل الحراري للخيوط المنتجة. يختلف النهج المباشر في الكائن المنتج بشكل كبير عن الأساليب التي تحاول تصنيع الحرير المؤتلف في البكتيريا أو الخميرة. يضمن الحفاظ على عملية الغزل الطبيعية أن تحقق المحاذاة الجزيئية للألياف الكمال الهيكلي الذي نادرًا ما تستطيع الأنظمة الاصطناعية تكراره على نطاق صناعي.
بروتوكولات السلامة الحيوية واستمرارية الدراسة
يتطلب التعامل مع الحمض النووي للأنواع الحيوانية الامتثال لبروتوكولات الاحتواء البيولوجي الصارمة في جميع المراحل. يثير إدخال السمات الخارجية تساؤلات فنية حول التأثير المحتمل على النظم البيئية إذا اتصلت العينات المعدلة بالمجموعات البرية. أجرى فريق جامعة بايرويت جميع مراحل التجربة في مرافق ذات إجراءات أمنية مشددة للمفصليات. تشير التقارير إلى أن التعديل الوراثي لم يسبب آثارًا ضارة على الصحة أو النمو البدني أو السلوك الإنجابي للعناكب المعنية.
إن إتقان تقنية كريسبر-كاس9 في العناكب يضع معيارًا منهجيًا جديدًا لأبحاث التكنولوجيا الحيوية المستقبلية. ويخطط العلماء لتحسين بروتوكولات الحقن والتكامل لزيادة معدل النجاح لدى الأجيال القادمة من الأجنة. يجب أن تستكشف الدراسات اللاحقة إمكانية إدخال بروتينات الفلورسنت المختلفة لإنشاء حرائر ذات توقيعات بصرية متعددة. سينظر التحقيق أيضًا في إضافة تسلسلات تتفاعل مع محفزات بيئية محددة، مثل التغيرات المفاجئة في درجة الحرارة أو مستويات الرطوبة المتفاوتة في الهواء.
يمثل تحول العناكب إلى منصات بيولوجية قابلة للبرمجة نقلة نوعية في علم المواد الحديث. تثبت التجربة أن الكائنات الحية المعقدة يمكن أن تعمل كمصانع حيوية دقيقة عند إخضاعها لأدوات تحرير الجينوم الحديثة. يوفر البحث البيانات الأساسية اللازمة للمختبرات الأخرى حول العالم لبدء اختباراتها الخاصة مع الأنواع المختلفة المنتجة للحرير. ويعزز هذا التقدم التقاطع بين البيولوجيا الجزيئية المتقدمة والتطوير العملي للبوليمرات عالية الأداء.