Forskere klonede mus fra frysetørrede hudceller og åbnede døren til biokonservering

På overfladen var Dorami bare en gennemsnitlig mus. Hun voksede til en sund vægt, fik sine egne hvalpe og døde naturligt nær sin anden fødselsdag - omkring 70 år i menneskealder og helt usædvanligt for en laboratoriemus.

Bortset fra én ting: Dorami blev klonet fra frysetørrede celler. Og ikke en hvilken som helst celle – hun blev klonet fra somatiske celler (de celler, der udgør vores kroppe) snarere end sæd eller æg.

Dorami er det seneste indtog i et årtier langt fremstød for at bruge kloning som en måde at bevare biodiversiteten på. Triumfen af Dolly fårene gjorde det klart, at det er muligt at genoplive dyr ved hjælp af reproduktionsceller. Drømmen om at genoprette uddøde dyr, eller biobanking af nuværende dyr, har fanget videnskabsmænds fantasi lige siden. En effektiv måde at bevare en arts DNA på er at opbevare sædceller i flydende nitrogen. Ved omkring -320 grader Fahrenheit kan cellerne fryses ned i tide i årevis.

Men der er et hikke. At indsamle kønsceller fra dyr på randen af ​​udryddelse er - mildt sagt - ekstremt svært. I modsætning hertil er det relativt enkelt at skrabe et par hudceller af eller barbere noget pels. Disse celler indeholder dyrets komplette DNA, men de er skrøbelige.

Den nye undersøgelse, ledet af Dr. Teruhiko Wakayama ved University of Yamanashi i Japan, tog springet fra sperm til hud. Holdet udviklede en yderst teknisk opskrift, der ville gøre enhver gastronomisk kok stolt, og klonede med succes 75 sunde mus fra frysetørrede somatiske celler indsamlet fra både mandlige og kvindelige donorer. Mange afkom, inklusive Dorami, fik deres egne unger.

Med en succesrate på omkring fem procent højst – og så lavt som 0.2 procent – ​​er teknikken langt fra effektiv. Men strategien udstikker en vej mod det større billede: vores evne til at lagre og potentielt genoplive genetiske variationer af næsten uddøde arter.

Til Dr. Ben Novak, ledende videnskabsmand ved Revive & Restore, er undersøgelsen et velkomment fremskridt på trods af dets ufuldkommenheder. "Fra et bevaringssynspunkt er det et stort behov at innovere nye måder at biobanke reproduktive levedygtige vævstyper... så det er virkelig spændende at se denne form for gennembrud," han sagde.

Kogebogen om biokonservering

Celler er kræsne væsner. Forestil dig en vandig klat med små molekylære fabrikker bundet til dens ballonlignende vægge. Frysning af en celle uden beskyttelse kan få de vandige komponenter til at danne skarpe iskrystaller, som beskadiger cellens indre komponenter og punkterer cellevæggen. Når den varmes tilbage til normale temperaturer, som en utæt nålepude, har cellen ikke en chance for at overleve.

Forskere fandt til sidst ud af en vindende opskrift på at bevare celler: Nøglen er at tilføje et kemisk frostvæske og opbevare cellerne i tungmetaltanke med flydende nitrogen. Cellerne er suspenderet i små hætteglas inde i kasser, der glider ind i et tårnlignende metalbur. Afhængigt af celletypen kan de bevares i årevis. Problemet? Opsætningen er dyr, svær at vedligeholde og udsat for strømsvigt. Eventuelle forstyrrelser kan forårsage katastrofale tab i alle prøverne. For biodiversiteten er det ikke altid muligt at have et så sofistikeret setup i nærheden af ​​dyret.

Der må være en bedre måde.

For år siden tog Wakayama på et korstog for at skubbe grænserne for cellelagring. Han fokuserede på én bestemt metode: frysetørring. Mest kendt af backpackere og astronauter som en måde at bevare næringsstoffer i mad, viste frysetørrende celler sig at være relativt enkel. Ved århundredeskiftet, Wakayama og hans team viste det er muligt at frysetørre sædceller til reproduktion. Opskriften var så robust den holdt sperm i live i årevis ombord på den internationale rumstation, mens de blev bombarderet med omgivende niveauer af stråling. Det førte også til levende afkom efter at være blevet smidt ned i en skrivebordsskuffe for et år uden klimastyring.

Somatiske celler er en anden sag. I modsætning til sædceller er cellerne, der udgør vores kroppe, langt mere tilbøjelige til, at vandmolekyler krammer vores DNA-struktur med en mere skrøbelig kerne. Når de er frosne, betyder det, at cellerne kan opleve langt mere skade, hvilket gør dem ubrugelige til kloning.

"Til dato er de eneste celler, der har produceret afkom efter frysetørring, modne sædceller," skrev holdet.

En ny opskrift

Det nye arbejde gik efter det umulige: kan vi klone et dyr fra frysetørrede somatiske celler?

I den første runde af eksperimenter isolerede holdet celler fra hunmus, der normalt understøtter ægcellen. De smed cellerne i to beskyttende kemikalier og frysetørrede prøverne i flydende nitrogen. Det var ikke kønt: Den beskyttende membran af alle celler gik i stykker, med tegn på knust - men relativt intakt - DNA.

Holdet pløjede fremad og rehydrerede derefter den frosne prøve efter op til otte måneders opbevaring. Fra det livløse pulver isolerede de kernerne, den frølignende struktur, der huser DNA, og transplanterede det ind i en ægcelle, som fik dets genetiske materiale suget ud. Det er som at erstatte en bogs tekst med en anden – fuldstændigt at ændre dens biologiske betydning.

Det blev mere kompliceret. Disse indledende "redigerede" ægceller kunne ikke reproducere, sandsynligvis på grund af DNA og epigenetisk skade. Som en løsning brugte holdet cellerne til at danne flere embryonale cellelinjer. Disse er modstandsdygtige arbejdere, især effektive til at korrigere DNA-skader.

Når de trivedes, sugede holdet derefter deres genetiske materiale ud og sprøjtede det ind i æg fra mus med sort pels. De resulterende embryoner blev efterladt til at udvikle sig i mus med hvid pels - surrogatmoderen. Alle resulterende unger tog den skinnende sorte pels på deres DNA-donorer med helt normal vægt og fertilitet.

"Efter modning udvalgte vi tilfældigt ni hun- og tre klonede hanmus til parring med normale laboratoriemus," forklarede holdet. På cirka tre måneder fødte alle de klonede hunmus den næste generation – med fire poter, knurhår og musevaner intakte. Ved at gentage eksperimentet med hudceller fra halespidsen klonede holdet yderligere et dusin eller deromkring mus.

Opskriften gik ikke helt som planlagt. I et mærkeligt forsøg brugte holdet celler fra hanmus til at klone den næste generation, og alle afkommet blev hunner. Ved at grave dybere fandt de ud af, at Y-kromosomet - der betegner en biologisk han - gik tabt under processen, hvilket førte til en helt hunkøn øen Themyscira. For forfatterne er det et knæk i processen, men ikke en udblæsning til praktisk brug. "Disse resultater tyder på, at selvom Y-kromosomtab forekommer, kan denne teknik stadig bruges til de tilgængelige genetiske ressourcer under ekstreme omstændigheder, såsom næsten uddøde arter," sagde de.

Et bibliotek for bevaring?

Teknikken er langt fra perfekt. Det er kedeligt, har lave succesrater og kræver stadig fryseopbevaringstemperaturer, der gør det tilbøjeligt til at fejle i energinet.

For Dr. Alena Pance ved University of Hertfordshire, som ikke var involveret i undersøgelsen, er det vigtigste spørgsmål, hvor længe det genetiske materiale kan opbevares. "Det ville være altafgørende at vise forlænget, ubestemt opbevaring under disse forhold, for at dette system kan give en effektiv langsigtet bevarelse af arter og prøver," hun sagde.

Forfatterne er enige om, at der er flere mysterier. Kroppen kan have sværere ved at reparere DNA-skader i somatiske celler sammenlignet med sædceller, som trækker deres energi væk fra at udvikle et fuldt fungerende æg. Deres epigenetik- som regulerer, hvordan gener tænder eller slukker - kan også blive rodet sammen på grund af ufuldstændig omprogrammering.

I sidste ende er dette kun det første skridt. Somatiske celler er nemmere at fange sammenlignet med reproduktive celler, især for infertile eller unge dyr. At gøre det nemmere og billigere er et plus. Holdet søger nu at fange genetisk materiale fra kadavere eller afføring for at udvide omfanget.

"Den tilgang, der er beskrevet i dette arbejde, tilbyder et alternativ til nuværende bankmetoder, og det ville helt sikkert være en stor fordel at tillade mere tilladelige temperaturer," sagde Pance.

Billede Credit: Wakayama et. al./Naturkommunikation