Zespół naukowców genetycznie zmodyfikował w laboratorium przezroczystą kałamarnicę albinos. Zespół badawczy z Marine Biological Laboratory (MBL) dokonał tego niesamowitego wyczynu, wykorzystując odmianę kałamarnicy bobtail, znanej jako Euprymna berryi.

Ta pionierska praca, udostępniona światu 20 czerwca w czasopiśmie Current Biology, jest ważnym krokiem naukowym.

Tworzenie przezroczystej kałamarnicy – ​​dlaczego to jest takie wyjątkowe?

Jak coś z science fiction, zespół stworzył niemal przezroczyste stworzenie. To żywe okno na układ nerwowy głowonoga. Jest to grupa niezwykle inteligentnych i tajemniczych stworzeń morskich, w skład której wchodzą kalmary, ośmiornice i mątwy.

Ponadto po raz pierwszy naukowcom udało się wyhodować genetycznie zmodyfikowanego głowonoga przez wiele pokoleń. E. berryi wykazuje obecnie ogromny potencjał, aby stać się organizmem modelowym do badań skupiających się między innymi na neurobiologii głowonogów.

Starszy naukowiec MBL, Joshua Rosenthal, który współkierował badaniem z MBL Hibbitt Fellow Caroline Albertin, podkreślił znaczenie tego rozwoju.

„Istnieje wiele niezwykle interesujących biologii otaczających głowonogi, w przeciwieństwie do innych bezkręgowców” – powiedział Rosenthal. „Mamy teraz model głowonoga, na którym możemy badać funkcje biologiczne w znacznie wyższej rozdzielczości niż wcześniej”.

Dlaczego naukowcy wybrali głowonogi do swoich badań

Głowonogi to fascynujące stworzenia. Mają znacznie bardziej złożone układy nerwowe i zachowania niż większość bezkręgowców. Szybko się uczą i zapamiętują złożone zadania. Mogą rozwiązywać zagadki, używać narzędzi, a nawet uczyć się, obserwując innych.

Głowonogi potrafią w mgnieniu oka zmienić kolor, aby wtapiać się w otoczenie. Wchodzą w interakcję z otoczeniem za pomocą ramion i macek. Według innego niedawnego badania przeprowadzonego przez MBL, stworzenia te mogą przystosować się do zimnego środowiska poprzez znaczne modyfikacje własnego RNA.

Badanie głowonogów jest szczególnie trudne

Ale badanie głowonogów wiąże się z wyzwaniami. W przeciwieństwie do szeroko zakrojonych badań na muszkach owocowych i myszach, brak żywego organizmu modelowego ograniczył naszą wiedzę na temat genetyki głowonogów.

Jednak to nowe badanie przedstawia E. berryi jako ekscytującego kandydata. Jest łatwy do rozmnażania w laboratorium i może być modyfikowany genetycznie. To sprawia, że ​​zmienia zasady gry w badaniach nad głowonogami.

Albertin, współautor badania, jest optymistą co do możliwości. „Możliwość bezpośredniego i precyzyjnego testowania funkcji genów w modelowym głowonogu jest ekscytująca, ponieważ umożliwia badanie cech, które czynią głowonogi wyjątkowymi – i będzie to ważne narzędzie do zrozumienia wielu różnych aspektów ich wyjątkowej biologii” – powiedziała. .

Jak powstała przezroczysta kałamarnica

Aby stworzyć tę przezroczystą kałamarnicę, zespół dezaktywował dwa enzymy pigmentacyjne w genach E. berryi za pomocą edycji genomu CRISPR-Cas9. Następnie Cris Niell z University of Oregon, Eugene i Ivan Soltesz z Uniwersytetu Stanford zbadali aktywność mózgu zmienionej kałamarnicy.

Zrobili to, wstrzykując barwnik fluorescencyjny do jego płatka wzrokowego. Ten barwnik świeci, gdy wykryje wapń. Jest to substancja, którą mózg uwalnia, gdy staje się aktywny.

Następnie naukowcy wystawili kałamarnicę na różne obrazy. To aktywowało jego płatek optyczny i sprawiło, że barwnik zapalił się. Cały ten proces został uchwycony za pomocą mikroskopu. Kiedy wypróbowali tę samą technikę ze zwykłą kałamarnicą, kolor jej skóry zasłaniał wyraźny widok barwnika.

Rosenthal wyjaśnił implikacje tego odkrycia, mówiąc, że „pozwala nam spojrzeć na funkcje genów i mózgi głowonogów w sposób, w jaki nie mogliśmy wcześniej”.

Otwiera to nowe możliwości dla naukowców zainteresowanych badaniem przekazywania sygnałów przez mózgi głowonogów. Mogą teraz hodować przezroczyste kałamarnice i przeprowadzać podobne eksperymenty z barwnikiem aktywowanym wapniem.

Więcej odkryć dokonanych podczas eksperymentu z przezroczystą kałamarnicą

Badanie ujawniło również nowy aspekt biologii E. berryi. Kiedy dezaktywowali pierwszy gen pigmentacji, znany jako TDO, spodziewali się wyprodukować kałamarnicę albinos.

Było to rozsądne założenie, ponieważ zrobili to z innym gatunkiem kałamarnicy. W badaniu z 2020 roku wykorzystali gatunek Doryteuthis.

Co zaskakujące, powstałe potomstwo E. berryi nadal wykazywało ubarwienie. Następnie naukowcy odkryli, że drugi enzym o nazwie IDO również wytwarzał pigment.

Była to funkcja wcześniej nieznana u głowonogów. Powód, dla którego E. berryi ma dwa enzymy wykonujące pozornie to samo zadanie, pozostaje na razie tajemnicą.

Zespół ma nadzieję, że więcej naukowców przyłączy się do tego wysiłku badawczego

Liderzy badania, Rosenthal, Albertin i ich zespół, mają duże nadzieje, że inni naukowcy zagłębią się w badanie biologii E. berryi. Chcieliby zobaczyć, jak kałamarnica albinos jest udostępniana szerszej społeczności naukowej. Pomoże to rozwikłać więcej pozornie niekończących się tajemnic biologii głowonogów.

Rosenthal wyraził to jasno: „Chcemy, aby te zwierzęta były udostępniane społeczności naukowej. Głowonogi zawierają skarbnice biologicznej nowości. Chcemy, aby ludzie używali ich do zadawania prowokujących do myślenia pytań i dochodzenia do nowatorskich odkryć”.

Podsumowując, stworzenie tej genetycznie zmodyfikowanej przezroczystej kałamarnicy, albinosa szczepu Euprymna berryi, jest znaczącym krokiem naprzód w naszym rozumieniu głowonogów. Ta nowa wersja kałamarnicy bobtail kolibra umożliwi naukowcom badanie tych intrygujących zwierząt morskich w sposób, w jaki nigdy wcześniej nie byliśmy w stanie.

Zespół badawczy ma nadzieję, że pobudzi to dalsze badania i sprowokuje prowokujące do myślenia pytania. Ostatecznie pomoże nam to lepiej zrozumieć niesamowity świat głowonogów.

Więcej o kalmarach

Kalmary są fascynującymi stworzeniami i należą do klasy Cephalopoda, która obejmuje również ośmiornice, mątwy i łodziki. Znane są ze swojego wyrazistego wyglądu.

Kałamarnice mają miękkie ciało i wydłużony kształt, głowę otoczoną pojedynczymi ramionami i dwie dłuższe macki.

Oto, co wiemy o kałamarnicach:

Różnorodność i rozmiar

Istnieje około 300 znanych gatunków kałamarnic, różniących się znacznie wielkością. Najmniejsza kałamarnica, kałamarnica karłowata, może mieć mniej niż cal długości, podczas gdy największy gatunek, kałamarnica kolosalna, może osiągnąć długość do 46 stóp. Kałamarnica-wampir to kolejny dobrze znany gatunek.

Anatomia

Kalmary mają miękkie, elastyczne ciało pokryte cienką warstwą skóry. Pod skórą niektóre gatunki mają twardą strukturę w kształcie pióra zwaną piórem. Mają ostry dziób wykonany z keratyny, tego samego materiału co ludzkie paznokcie, którego używają do chwytania i zabijania zdobyczy.

Ramiona i macki

Kałamarnice mają dziesięć przydatków: osiem krótszych ramion i dwie dłuższe macki. Macki są zwykle używane do chwytania ofiary, która jest następnie prowadzona w kierunku pyska za pomocą krótszych ramion.

Atrament

Większość kałamarnic ma woreczek z atramentem, który może wyrzucać chmurę ciemnego atramentu, aby zmylić drapieżniki i ułatwić szybką ucieczkę.

Ruch

Kalmary są doskonałymi pływakami. Poruszają się dzięki napędowi odrzutowemu – wdychają wodę do jamy płaszcza, a następnie wydalają ją siłą przez lejkowatą strukturę, popychając je do tyłu.

Kamuflaż

Wiele kałamarnic ma zdolność zmiany koloru, a nawet tekstury, dzięki specjalnym komórkom skóry zwanym chromatoforami. Ta umiejętność pomaga w kamuflażu, komunikacji i polowaniu.

Oczy

Kałamarnice mają wysoko rozwinięte oczy, podobne do ludzkich. To pozwala im dobrze widzieć zarówno w jasnych, jak i ciemnych warunkach.

Inteligencja

Kalmary to jedne z najbardziej inteligentnych bezkręgowców. Niektóre gatunki wykazują złożone zachowania, takie jak rozwiązywanie problemów i używanie narzędzi. Dzięki temu są w stanie lepiej przystosować się do zmian klimatu.

Dieta

Kalmary są mięsożercami i żywią się głównie rybami, skorupiakami i innymi kałamarnicami. Są także ofiarami różnych gatunków, w tym rekinów, innych kałamarnic, ptaków morskich i wielorybów.

Reprodukcja

Rozmnażanie kałamarnic polega na tym, że samiec kałamarnicy umieszcza paczkę nasienia w ciele samicy. Samica składa następnie jaja, które przyczepia do dna morskiego lub innych podłoży. Większość kałamarnic umiera po rozmnażaniu.

Bioluminescencja

Niektóre gatunki kałamarnic mogą wytwarzać światło. Jest to zjawisko znane jako bioluminescencja, które wykorzystują do komunikacji, przyciągania zdobyczy lub odpierania drapieżników.

Symbioza

Niektóre gatunki kałamarnic, takie jak kałamarnica hawajska, mają symbiotyczny związek z bakteriami bioluminescencyjnymi, które pomagają im w kamuflażu.

Należy pamiętać, że informacje mogą się znacznie różnić w zależności od gatunku kałamarnicy. Nie wszystkie kałamarnice posiadają wyżej wymienione cechy. Ponadto naukowcy i badacze nadal dokonują nowych odkryć dotyczących kałamarnic i ich zachowania.

Więcej o edycji genomu CRISPR-Cas9

CRISPR-Cas9, skrót od „Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats and CRISPR Associated Protein 9”, to rewolucyjne narzędzie w dziedzinie genetyki. Naukowcy z MBL wykorzystali tę metodę do stworzenia przezroczystej kałamarnicy.

Wywodzący się z mechanizmu obronnego bakterii, został przystosowany do edytowania genomów — kompletnego zestawu materiału genetycznego obecnego w komórce lub organizmie. Oto zestawienie tego, co wiemy o CRISPR-Cas9:

Mechanizm – jak powstała przezroczysta kałamarnica

CRISPR-Cas9 działa poprzez wykorzystanie przewodnika RNA (gRNA) do zlokalizowania określonych sekwencji DNA w genomie. Przewodnik RNA łączy się w pary z białkiem Cas9, zasadniczo kierując je do właściwej lokalizacji w DNA.

Gdy znajdzie się we właściwym miejscu, białko Cas9 działa jak para „nożyczek molekularnych”, przecinając DNA w określonym punkcie. Własna maszyneria naprawcza komórki naprawia pęknięcie po przecięciu DNA. Może to wprowadzić zmiany (mutacje) w sekwencji. Naukowcy mogą również dostarczyć szablon procesu naprawy, w ten sposób precyzyjnie zmieniając informację genetyczną.

Edycja genomu

Moc CRISPR-Cas9 polega na tym, że pozwala naukowcom dodawać, usuwać lub zmieniać określone części sekwencji DNA organizmu, zapewniając poziom precyzji, wydajności i elastyczności, które wcześniej nie były dostępne w inżynierii genetycznej. Ma to szerokie implikacje w dziedzinach takich jak medycyna, rolnictwo i podstawowe badania biologiczne.

Aplikacje (inne niż tworzenie przezroczystych kałamarnic)

Niektóre z potencjalnych zastosowań CRISPR-Cas9 obejmują leczenie zaburzeń genetycznych, tworzenie roślin odpornych na choroby, zwalczanie szkodników, eliminowanie chorób przenoszonych przez owady (takich jak malaria) i wiele innych. W badaniach umożliwia naukowcom badanie funkcji różnych genów poprzez tworzenie organizmów, w których te geny zostały zmodyfikowane lub usunięte.

Względy etyczne

Chociaż potencjalne korzyści CRISPR-Cas9 są ogromne, jego użycie rodzi również ważne względy etyczne. Na przykład zmiany w ludzkiej linii zarodkowej (tj. komórkach jajowych lub plemnikach) mogą zostać przekazane przyszłym pokoleniom, budząc obawy co do nieprzewidzianych konsekwencji. Istnieje również możliwość nadużyć, takich jak tworzenie „projektantów” o określonych cechach genetycznych.

Perspektywy na przyszłość

Według mojej ostatniej aktualizacji we wrześniu 2021 r. trwają badania mające na celu udoskonalenie techniki i zminimalizowanie efektów niepożądanych (niezamierzonych modyfikacji DNA), ulepszenie metod dostarczania i zajęcie się etycznymi konsekwencjami edycji genomu.

Podsumowując, CRISPR-Cas9 to potężne narzędzie, które zrewolucjonizowało badania genetyczne, oferując potencjał do rozwiązania szeregu problemów, od chorób genetycznych po bezpieczeństwo żywnościowe. Rodzi to jednak również ważne kwestie etyczne, którymi społeczeństwo musi się zająć.