นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Bayreuth ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านเทคโนโลยีชีวภาพโดยการใช้เครื่องมือแก้ไขยีน CRISPR-Cas9 กับแมง การทดลองส่งผลให้เกิดการสร้างตัวอย่างที่ผลิตเส้นไหมที่มีการเรืองแสงสีแดงเข้ม การปรับเปลี่ยนนี้จะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุชีวภาพที่ผลิตโดยสัตว์โดยตรง ความก้าวหน้าดังกล่าวได้สร้างแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการพัฒนาวัสดุชีวภาพขั้นสูง เทคนิคนี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการจัดการรหัสพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนซึ่งทอเส้นใยโครงสร้าง
การวิจัยใช้สายพันธุ์ในประเทศทั่วไปที่รู้จักกันในชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า Parasteatoda tepidariorum งานนี้ดำเนินการโดยทีมงานของศาสตราจารย์โธมัส ไชเบล และผลลัพธ์ของงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Angewandte Chemie การนำยีนจำเพาะเข้าสู่เซลล์ที่สร้างใยแสดงถึงการเอาชนะอุปสรรคทางเทคนิคในอดีตในอณูชีววิทยา วิธีการดังกล่าวช่วยรักษาความสามารถในการปั่นด้ายตามธรรมชาติของสัตว์ ในขณะเดียวกันก็เพิ่มคุณลักษณะทางการมองเห็นแบบใหม่ให้กับเส้นด้ายด้วย
กระบวนการดัดแปลงพันธุกรรมในไข่
ระเบียบปฏิบัติของห้องปฏิบัติการเริ่มต้นด้วยการฉีดส่วนประกอบของระบบ CRISPR ลงในไข่แมงมุมที่ไม่ได้รับการผสมพันธุ์โดยตรง นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าสารพันธุกรรมของผู้บริจาคและเอนไซม์ที่ถูกตัดนั้นบรรลุเป้าหมายที่แน่นอนก่อนการพัฒนาของตัวอ่อนอย่างสมบูรณ์ ทีมงานได้ทำการทดสอบเบื้องต้นโดยมุ่งเป้าไปที่ยีนที่รับผิดชอบต่อการก่อตัวของดวงตาแมง ระยะนี้ทำให้ลูกสุนัขไม่มีการมองเห็นที่ชัดเจนในบางกรณี ผลลัพธ์ยืนยันความถูกต้องของเครื่องมือแก้ไขและตรวจสอบวิธีการนำส่งองค์ประกอบทางพันธุกรรม
หลังจากการตรวจสอบความถูกต้องเบื้องต้นแล้ว ผู้วิจัยได้มุ่งสู่วัตถุประสงค์หลักของการทดลอง พวกเขาแทรกยีนภายนอกที่เข้ารหัสโปรตีนเรืองแสงสีแดงเข้าไปในเซลล์เฉพาะในช่องท้องของแมงมุม เซลล์เหล่านี้เป็นที่ตั้งของต่อมที่ทำหน้าที่สังเคราะห์สไปโดรอิน ซึ่งเป็นโปรตีนพื้นฐานที่ประกอบเป็นไหมลาก การรวมตัวของยีนใหม่เกิดขึ้นอย่างเสถียรในจีโนม Parasteatoda tepidariorum ลูกที่เกิดจากการปฏิสนธิตามธรรมชาตินี้เริ่มแสดงลักษณะการส่องสว่างในลักษณะทางพันธุกรรม
คุณสมบัติทางโครงสร้างของเส้นใยชีวภาพชนิดใหม่
ไหมที่ได้จากตัวอย่างที่ได้รับการดัดแปลงยังคงรักษาลักษณะทางกลดั้งเดิมไว้ครบถ้วน การแทรกสารเรืองแสงสีแดงเป็นข้อพิสูจน์แนวคิดในการใช้งานวัสดุโดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ทางกายภาพของวัสดุ การทดสอบในห้องปฏิบัติการยืนยันว่าโปรตีนเรืองแสงผสานเข้ากับเส้นไหมแอมพูลเลตหลักได้อย่างสมบูรณ์แบบ เส้นด้ายชนิดนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ว่ามีความต้านทานแรงดึงสูงและความสามารถในการดูดซับแรงกระแทกของโครงสร้างสูง
วัสดุธรรมชาติที่ผลิตโดยสัตว์ขาปล้องเหล่านี้มีคุณสมบัติที่เหนือกว่าโลหะผสมเทียมหลายชนิดที่ใช้ในอุตสาหกรรมอยู่แล้ว เส้นใยผสมผสานความแข็งแกร่งที่เทียบได้กับเหล็กเข้ากับความเบาและความยืดหยุ่นที่ไม่สามารถบรรลุได้ด้วยโพลีเมอร์สังเคราะห์ทั่วไป ความสามารถในการประกอบตัวเองของโมเลกุลสไปดรอยในระหว่างกระบวนการปั่นยังคงไม่เปลี่ยนแปลงในสไปเดอร์ที่แก้ไขแล้ว แสงเรืองแสงสีแดงจะมองเห็นได้ภายใต้สภาพแสงที่เหมาะสมและมีความยาวคลื่นเฉพาะเท่านั้น
- สายพันธุ์ Parasteatoda tepidariorum ได้รับการคัดเลือกเนื่องจากความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ
- เครื่องมือ CRISPR-Cas9 ดำเนินการแทรกและกำจัดยีนด้วยความแม่นยำสูง
- ยีนที่ถูกดัดแปลงจะออกฤทธิ์โดยตรงกับโปรตีนไหมลากหลักของสัตว์
- แสงสีแดงของเส้นใยทำหน้าที่เป็นเครื่องหมายที่มองเห็นถึงความสำเร็จของการบูรณาการจีโนม
- การศึกษาฉบับสมบูรณ์ได้รับการบันทึกไว้ในหน้าวารสาร Angewandte Chemie
การผลิตไหมแมงมุมจำนวนมากต้องเผชิญกับอุปสรรคทางชีวภาพที่รุนแรงตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา ต่างจากหนอนไหมซึ่งสามารถเลี้ยงได้ในอาณานิคมอุตสาหกรรมอันหนาแน่น แมงมุมมีพฤติกรรมหวงอาณาเขตสูงและมีแนวโน้มชอบกินเนื้อคน ลักษณะที่โดดเดี่ยวนี้ทำให้การทำฟาร์มในฟาร์มสกัดแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ การแก้ไขยีนถือเป็นอีกทางเลือกหนึ่งในการเอาชนะข้อจำกัดทางชีวภาพเหล่านี้ ด้วยการทำความเข้าใจและจัดการยีนของผู้ผลิต วิทยาศาสตร์จึงเข้าถึงความสามารถในการทำซ้ำหรือปรับปรุงเส้นใยเหล่านี้ในระบบควบคุม
แอปพลิเคชันที่ออกแบบมาสำหรับวิศวกรรมวัสดุ
ความสามารถในการแทรกลำดับทางพันธุกรรมที่เฉพาะเจาะจงลงในโปรตีนจากเว็บทำให้เกิดความเป็นไปได้มากมายสำหรับอุตสาหกรรมทั่วโลก เส้นใยสั่งทำพิเศษสามารถออกแบบให้ตรงตามความต้องการอันเข้มงวดของภาคส่วนวิศวกรรมและการแพทย์ที่ล้ำสมัย ไหมแมงมุมถือเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตไหมเย็บแผล เนื่องจากมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพและอัตราการย่อยสลายตามธรรมชาติในร่างกายมนุษย์ สายการประมงที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและผ้าป้องกันขีปนาวุธยังเป็นหนึ่งในการใช้งานที่เป็นไปได้สำหรับวัสดุที่ได้รับการปรับปรุงในห้องปฏิบัติการ
ความสำเร็จในการรวมโปรตีนเรืองแสงบ่งชี้ว่าฟังก์ชันที่ซับซ้อนอื่นๆ อาจถูกเพิ่มเข้ามาในอนาคตอันใกล้นี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถตั้งโปรแกรมรหัสพันธุกรรมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลหรือเปลี่ยนแปลงการนำความร้อนของเส้นด้ายที่ผลิตได้ แนวทางโดยตรงในการผลิตสิ่งมีชีวิตแตกต่างอย่างมากจากวิธีการที่พยายามสังเคราะห์ไหมรีคอมบิแนนต์ในแบคทีเรียหรือยีสต์ การรักษากระบวนการปั่นตามธรรมชาติทำให้แน่ใจได้ว่าการจัดตำแหน่งโมเลกุลของเส้นใยบรรลุความสมบูรณ์แบบของโครงสร้าง ซึ่งระบบประดิษฐ์แทบจะไม่สามารถทำซ้ำได้ในระดับอุตสาหกรรม
โปรโตคอลความปลอดภัยทางชีวภาพและความต่อเนื่องของการศึกษา
การจัดการ DNA ของสัตว์ต้องปฏิบัติตามระเบียบการกักกันทางชีวภาพที่เข้มงวดในทุกขั้นตอน การแนะนำลักษณะภายนอกทำให้เกิดคำถามทางเทคนิคเกี่ยวกับผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นกับระบบนิเวศหากตัวอย่างที่เปลี่ยนแปลงไปสัมผัสกับประชากรป่า ทีมงานที่มหาวิทยาลัย Bayreuth ได้ทำการทดลองทุกขั้นตอนในสถานที่ที่มีความปลอดภัยสูงสุดสำหรับสัตว์ขาปล้อง รายงานระบุว่าการดัดแปลงพันธุกรรมไม่ได้ก่อให้เกิดผลเสียต่อสุขภาพ พัฒนาการทางกายภาพ หรือพฤติกรรมการสืบพันธุ์ของแมงมุมที่เกี่ยวข้อง
ความชำนาญในการใช้เทคนิค CRISPR-Cas9 ในแมงทำให้เกิดมาตรฐานระเบียบวิธีใหม่สำหรับการวิจัยเทคโนโลยีชีวภาพในอนาคต นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะปรับปรุงระเบียบวิธีการฉีดและบูรณาการเพื่อเพิ่มอัตราความสำเร็จในเอ็มบริโอรุ่นต่อๆ ไป การศึกษาครั้งต่อไปควรสำรวจการแทรกโปรตีนฟลูออเรสเซนต์ต่างๆ เพื่อสร้างเส้นไหมที่มีลายเซ็นต์เชิงแสงหลายแบบ การตรวจสอบยังจะพิจารณาการเพิ่มลำดับที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าด้านสิ่งแวดล้อม เช่น การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของอุณหภูมิ หรือระดับความชื้นในอากาศที่แตกต่างกัน
การเปลี่ยนแปลงของสไปเดอร์ให้เป็นแพลตฟอร์มทางชีวภาพที่ตั้งโปรแกรมได้ แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในวัสดุศาสตร์สมัยใหม่ การทดลองพิสูจน์ให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนสามารถทำหน้าที่เป็นโรงงานชีวภาพที่มีความแม่นยำได้เมื่ออยู่ภายใต้เครื่องมือแก้ไขจีโนมที่ล้ำสมัย การวิจัยนี้ให้ข้อมูลพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับห้องปฏิบัติการอื่นๆ ทั่วโลกเพื่อเริ่มการทดสอบของตนเองกับสายพันธุ์ที่ผลิตไหมที่แตกต่างกัน ความก้าวหน้านี้ได้รวมจุดตัดระหว่างชีววิทยาระดับโมเลกุลขั้นสูงและการพัฒนาเชิงปฏิบัติของโพลีเมอร์ประสิทธิภาพสูง