Badacze wykorzystali pospolitego pająka domowego Parasteatoda tepidariorum jako model do opracowanego protokołu mikroiniekcji z zastosowaniem kompleksów Cas9 i sgRNA (single guide RNA służącego do nawigacji Cas9 w celu edycji genomu), który umożliwia uzyskanie mutacji typu knock-out (KO) oraz knock-in (KI). W ramach pierwszego etapu modyfikacji (KI) naukowcy wprowadzili do niezapłodnionych jaj pająków kompleks CRISPR-Cas9 zawierający gen kodujący czerwone białko fluorescencyjne (mRFP). Po modyfikacji potomstwo wytwarzało jedwab wykazujący wyraźną fluorescencję, co potwierdzono analizą mikroskopową i spektroskopową. Jednocześnie nie zaobserwowano zmian w procesie formowania włókien, co sugeruje, że białka jedwabiu można modyfikować bez naruszania integralności mechanicznej nici. Uzyskane wyniki otwierają możliwość zmian właściwości biomateriałów wytwarzanych przez pająki, a także ich znakowania w celach badawczych.

Funkcja genu sine oculis (SOX2 jest kluczowym genem w tworzeniu i różnicowaniu komórek przedniego i tylnego odcinka gałki ocznej) została przeanalizowana poprzez wprowadzenie mutacji knock-out. W wyniku edycji uzyskano osobniki całkowicie pozbawione oczu, co świadczy o tym, że gen ten odgrywa zasadniczą rolę w inicjacji i przebiegu procesu rozwoju wszystkich typów oczu u pająków. Dotychczasowe dane dotyczące funkcji so pochodziły głównie z badań nad owadami, a obecne wyniki pokazują, że jego rola w organizmach pajęczaków jest równie fundamentalna. Pozwala to na rozszerzenie wiedzy o konserwatywnych szlakach rozwojowych u różnych grup stawonogów i stanowi punkt wyjścia do dalszych porównań ewolucyjnych.

Zastosowanie technologii CRISPR-Cas9 w badaniach nad owadami zostało już dobrze ugruntowane i obejmuje szeroki zakres zagadnień biologicznych – od funkcji genów rozwojowych, przez mechanizmy regulacji płci, aż po modyfikacje szlaków metabolicznych. W szczególności u muszki owocowej Drosophila melanogaster, będącej jednym z najważniejszych modeli genetycznych, technika ta jest rutynowo wykorzystywana do tworzenia mutacji knock-out i knock-in. Pozwoliło to m.in. na szczegółowe badanie funkcji genów zaangażowanych w rozwój układu nerwowego, kończyn, skrzydeł czy narządów zmysłów. Również w przypadku komarów, takich jak Anopheles gambiae i Aedes aegypti, CRISPR-Cas9 znalazł zastosowanie nie tylko w analizie biologii rozwoju, ale także tworzeniu linii transgenicznych z cechami ograniczającymi zdolność do przenoszenia patogenów lub wpływających na płodność populacji. Efektem tych badań było m.in. opracowanie linii komarów z systemami typu gene drive, mających potencjał do kontrolowania rozprzestrzeniania się chorób, takich jak malaria czy denga.

W przypadku pajęczaków zakres wykorzystania CRISPR-Cas9 był do tej pory bardzo ograniczony. Dotyczyło to głównie prób funkcjonalnej analizy genów metodą RNAi, która jednak charakteryzuje się niską skutecznością, krótkotrwałym efektem i ograniczoną możliwością przestrzennej oraz czasowej kontroli ekspresji. W porównaniu z owadami pająki wykazują znacznie większe trudności techniczne w zakresie utrzymania linii laboratoryjnych, manipulacji embrionalnych oraz identyfikacji i selekcji osobników zmodyfikowanych genetycznie. Brak stabilnych metod iniekcji i słabo poznane szlaki molekularne dodatkowo utrudniały przeniesienie narzędzi genetycznych znanych z modeli owadzich. Dotychczasowe doniesienia o edycji genomu u pajęczaków były sporadyczne i nie obejmowały kompleksowej analizy skutków mutacji na poziomie organizmu. Dlatego też zastosowanie CRISPR-Cas9 w opisywanym badaniu w sposób skuteczny, jednoznaczny i kontrolowany stanowi istotny postęp metodologiczny i otwiera nowe możliwości dla tej grupy bezkręgowców. Szczególnie ważne jest to w kontekście specyficznych cech biologii pająków, takich jak unikalna morfologia oczu oraz zdolność do produkcji jedwabiu, które dotąd nie mogły być badane przy użyciu narzędzi precyzyjnej inżynierii genetycznej.

Za przeprowadzenie eksperymentu odpowiada zespół naukowców z Uniwersytetu w Bayreuth w Niemczech, kierowany przez prof. Thomasa Scheibela – eksperta w dziedzinie biomateriałów i biotechnologii. Scheibel od lat zajmuje się badaniami nad strukturą, funkcją i zastosowaniem jedwabiu naturalnego, a jego grupa badawcza jest uznawana za jedną z wiodących w Europie, jeśli chodzi o inżynierię jedwabiu pająka. Projekt został zrealizowany we współpracy z członkami Bayreuth Center for Molecular Biosciences (BZMB) oraz naukowcami specjalizującymi się w biologii molekularnej i technikach CRISPR. 

Osiągnięcie niemieckiego zespołu jest ważnym krokiem w kierunku inżynierii pajęczych włókien o nowych, pożądanych właściwościach. Jedwab pająka modyfikowany genetycznie może zostać zmieniany pod kątem konkretnych zastosowań – od materiałów biomedycznych (np. nici chirurgicznych, rusztowań tkankowych, nośników leków), przez bioobrazowanie z użyciem znaczników fluorescencyjnych, aż po lekkie i wytrzymałe kompozyty wykorzystywane w lotnictwie lub robotyce miękkiej. Dalsze badania mogą objąć modyfikacje kilku genów jednocześnie oraz integrację z innymi technologiami biologii syntetycznej.