德国科学家首次成功利用CRISPR改造蜘蛛，生产红色荧光蛛丝

蜘蛛丝由多种氨基酸组成，其特有的、重复出现的聚丙氨酸和甘氨酸序列决定了蜘蛛丝纤维的力学性能、弹性和韧性等特性。其所拥有的非凡的材料特性正在使其成为一个有前景的、替代许多石油化工衍生材料的选择。

近日，来自德国拜罗伊特大学生物材料研究小组的团队首次成功将 CRISPR-Cas9 基因编辑工具应用于蜘蛛。经过基因改造后，蜘蛛吐出了发出红色荧光的蛛丝。

这项研究在全球范围内首次证明，CRISPR-Cas9 可用于将所需序列整合到蜘蛛丝蛋白中。这一发现为研发强度、弹性和表面化学性质可调的定制纤维开辟了一条新途径。

“将 CRISPR 基因编辑应用于蜘蛛丝，对材料科学研究来说前景广阔。例如，它可以进一步提高蜘蛛丝原本就很高的抗拉强度。”这项研究的领导者、拜罗伊特大学生物材料系主任 Thomas Scheibel教授表示。

过去十年，基因编辑工具 CRISPR-Cas9 彻底改变了生物学，其已在发育和进化生物学、材料科学、害虫防治和农业等领域的众多研究中得到应用。然而，并未在蜘蛛中使用。

为了实现这一创新方法，团队经过了多次尝试。

他们首先选定了一个易于追踪的表型基因 soA，验证 CRISPR-Cas9 在蜘蛛中的编辑有效性。该基因调节蜘蛛的眼睛发育，但并非生存所必需。因此，soA 的敲除应该会导致易于检测的表型。

结果显示，虽然大多数胚胎缺乏任何视觉表型，但有些胚胎确实表现出在野生型胚胎中未观察到的不规则眼睛发育。最显著的表型是所有眼睛或前内侧眼睛的丧失，这两种情况都可以使用立体显微镜清楚地看到。此外，侧眼的突变也完全缺乏绒毡层和其他结构，眼睛中唯一未受影响的结构是晶状体。

在证明 CRISPR-Cas9 在蜘蛛中起作用后。Scheibel 和他的博士生 Edgardo Santiago-Rivera 随即开始了研究的主要目标，蜘蛛丝的功能化。

他们开发了一种注射液，包含基因编辑系统的组件以及红色荧光蛋白的基因序列，主要目标是修改大壶腹蛛丝蛋白 2（Masp2）。大壶腹蛛丝纤维的最大强度可达 1.7 GPa，处于合成高科技材料的强度范围内。这种蜘蛛丝纤维比凯夫拉纤维和碳纤维具有更高的韧性和延展性。

该溶液被注射到未受精的雌性蜘蛛（Parasteatoda tepidariorum）的卵子中，然后这些雌性蜘蛛与同种雄性蜘蛛交配。结果，基因编辑蜘蛛的后代在其拖丝中显示出红色荧光，证明基因序列已成功敲入蛛丝蛋白。

目前，团队的重点是基础研究和小批量、高价值的用途，例如外科缝合线或微机械弹簧。在证明复杂的蛋白质可以编织成拖丝之后，研究小组未来计划插入增强强度、调节弹性或增加感知能力的序列。除此之外，研究人员还希望探索蜘蛛的其他 6 种蛛丝类型。蜘蛛能够产生 7 种主要类型的丝，蜘蛛可以调整其分泌的丝的类型以满足不同的目的，如结茧、膨胀、捕捉猎物等。蜘蛛经常利用和组合不同类型丝的不同特性，以最大限度地发挥功能。

1.Edgardo Santiago‐Rivera et al, Spider Eye Development Editing and Silk Fiber Engineering Using CRISPR‐Cas, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202502068

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