Wissenschaftler klonten Mäuse aus gefriergetrockneten Hautzellen und öffneten damit die Tür zur Biokonservierung

An der Oberfläche war Dorami nur eine durchschnittliche Maus. Sie wuchs zu einem gesunden Gewicht heran, bekam eigene Welpen und starb auf natürliche Weise kurz vor ihrem zweiten Geburtstag – ungefähr 70 Jahre im menschlichen Alter und für eine Labormaus völlig ungewöhnlich.

Bis auf eine Sache: Dorami wurde aus gefriergetrockneten Zellen geklont. Und nicht irgendeine Zelle – sie wurde aus somatischen Zellen (den Zellen, aus denen unser Körper besteht) und nicht aus Sperma oder Eizellen geklont.

Dorami ist der jüngste Vorstoß in einen jahrzehntelangen Versuch, das Klonen als Mittel zum Erhalt der Artenvielfalt einzusetzen. Der Triumph von Das Schaf Dolly machte deutlich, dass es möglich ist, Tiere mithilfe von Fortpflanzungszellen wiederzubeleben. Der Traum, ausgestorbene Tiere wiederherzustellen oder aktuelle in Biobanken zu bringen, hat seitdem die Fantasie von Wissenschaftlern beflügelt. Eine wirksame Möglichkeit, die DNA einer Art zu konservieren, besteht darin, Spermien in flüssigem Stickstoff zu lagern. Bei etwa -320 Grad Fahrenheit können die Zellen über Jahre hinweg eingefroren werden.

Aber es gibt einen Schluckauf. Das Sammeln von Fortpflanzungszellen von Tieren, die vom Aussterben bedroht sind, ist – gelinde gesagt – äußerst schwierig. Dagegen ist es relativ einfach, ein paar Hautschüppchen abzukratzen oder etwas Fell abzurasieren. Diese Zellen enthalten die vollständige DNA des Tieres, aber sie sind zerbrechlich.

Die neue Studie, unter der Leitung von Dr. Teruhiko Wakayama an der Universität Yamanashi in Japan, hat den Sprung vom Sperma zur Haut geschafft. Das Team entwickelte ein hochtechnisches Rezept, das jeden Gourmetkoch stolz machen würde, und klonte erfolgreich 75 gesunde Mäuse aus gefriergetrockneten somatischen Zellen, die sowohl von männlichen als auch von weiblichen Spendern gesammelt wurden. Viele Nachkommen, einschließlich Dorami, bekamen später eigene Welpen.

Mit einer Erfolgsquote von höchstens etwa fünf Prozent – ​​und sogar nur 0.2 Prozent – ​​ist die Technik alles andere als effizient. Aber die Strategie bahnt sich einen Weg zum Gesamtbild: unsere Fähigkeit, genetische Variationen von fast ausgestorbenen Arten zu speichern und möglicherweise wiederzubeleben.

Zu Ben Novak, leitender Wissenschaftler bei Revive & Restore, ist die Studie trotz ihrer Unvollkommenheiten ein willkommener Fortschritt. „Vom Naturschutzstandpunkt aus ist die Entwicklung neuer Wege zur Biobankierung reproduktionsfähiger Gewebetypen ein großer Bedarf … daher ist es wirklich aufregend, diese Art von Durchbruch zu sehen“, er sagte.

Das Biokonservierungs-Kochbuch

Zellen sind heikle Kreaturen. Stellen Sie sich einen wässrigen Fleck mit winzigen molekularen Fabriken vor, die an seinen ballonartigen Wänden befestigt sind. Das Einfrieren einer Zelle ohne Schutz kann dazu führen, dass die wässrigen Bestandteile scharfe Eiskristalle bilden, die die inneren Bestandteile der Zelle beschädigen und die Zellwand durchstechen. Wenn sie wie ein tropfendes Nadelkissen wieder auf normale Temperaturen aufgeheizt wird, hat die Zelle keine Überlebenschance.

Wissenschaftler fanden schließlich ein Erfolgsrezept für die Konservierung von Zellen: Der Schlüssel besteht darin, ein chemisches Frostschutzmittel hinzuzufügen und die Zellen in Schwermetalltanks mit flüssigem Stickstoff zu lagern. Die Zellen werden in winzigen Fläschchen in Kästen aufgehängt, die in einen turmartigen Metallkäfig gleiten. Je nach Zelltyp sind sie jahrelang haltbar. Das Problem? Die Einrichtung ist teuer, schwer zu warten und anfällig für Stromausfälle. Jegliche Störungen könnten zu katastrophalen Verlusten bei allen Proben führen. Für die Biodiversität ist es nicht immer möglich, eine so ausgeklügelte Einrichtung in der Nähe des Tieres zu haben.

Es muss einen besseren Weg geben.

Vor Jahren ging Wakayama auf einen Kreuzzug, um die Grenzen der Zellspeicherung zu erweitern. Er konzentrierte sich auf eine bestimmte Methode: die Gefriertrocknung. Rucksacktouristen und Astronauten vor allem als Methode zur Konservierung von Nährstoffen in Lebensmitteln bekannt, erwiesen sich Gefriertrocknungszellen als relativ einfach. Um die Jahrhundertwende, Wakayama und sein Team gezeigt, dass es möglich ist Spermien zur Fortpflanzung gefriergetrocknet. Das Rezept war so robust es Spermien am Leben erhalten jahrelang an Bord der Internationalen Raumstation, während sie mit Umgebungsstrahlung bombardiert werden. Es führte auch zu lebende Nachkommen nachdem er in eine Schreibtischschublade geworfen wurde für ein Jahr ohne Klimatisierung.

Somatische Zellen sind eine andere Sache. Im Gegensatz zu Spermien sind die Zellen, aus denen unser Körper besteht, viel anfälliger für Wassermoleküle, die unsere DNA-Struktur mit einem zerbrechlicheren Kern umarmen. Eingefroren bedeutet dies, dass die Zellen weit mehr Schaden erleiden können, was sie für das Klonen unbrauchbar macht.

„Bisher sind die einzigen Zellen, die nach der Gefriertrocknung Nachkommen hervorgebracht haben, reife Spermien [Spermien]“, schrieb das Team.

Ein neues Rezept

Die neue Arbeit ging ins Unmögliche: Können wir ein Tier aus gefriergetrockneten Körperzellen klonen?

In der ersten Versuchsrunde isolierte das Team Zellen von weiblichen Mäusen, die normalerweise die Eizelle tragen. Sie warfen die Zellen in zwei Schutzchemikalien und trockneten die Proben in flüssigem Stickstoff gefriergetrocknet. Es war nicht schön: Die Schutzmembran aller Zellen brach, mit Anzeichen von zerschmetterter – aber relativ intakter – DNA.

Anschließend rehydrierte das Team die gefrorene Probe nach bis zu acht Monaten Lagerung. Aus dem leblosen Pulver isolierten sie die Zellkerne, die keimartige Struktur, in der sich die DNA befindet, und transplantierten sie in eine Eizelle, der ihr genetisches Material entnommen wurde. Es ist, als würde man den Text eines Buches durch einen anderen ersetzen – seine biologische Bedeutung komplett verändern.

Es wurde komplizierter. Diese anfänglich „bearbeiteten“ Eizellen konnten sich nicht reproduzieren, wahrscheinlich aufgrund von DNA- und epigenetischen Schäden. Als Problemumgehung verwendete das Team die Zellen, um mehrere embryonale Zelllinien zu bilden. Dies sind widerstandsfähige Arbeiter, die besonders effizient bei der Korrektur von DNA-Schäden sind.

Sobald sie gedieh, saugte das Team ihr genetisches Material heraus und injizierte es in Eier von Mäusen mit schwarzem Fell. Die daraus resultierenden Embryonen wurden in Mäusen mit weißem Fell – der Leihmutter – entwickelt. Alle daraus resultierenden Welpen nahmen das glänzende schwarze Fell ihrer DNA-Spender an, mit vollkommen normalem Gewicht und normaler Fruchtbarkeit.

„Nach der Reifung haben wir zufällig neun weibliche und drei männliche geklonte Mäuse zur Paarung mit normalen Labormäusen ausgewählt“, erklärte das Team. In ungefähr drei Monaten brachten alle geklonten weiblichen Mäuse die nächste Generation zur Welt – mit intakten vier Pfoten, Schnurrhaaren und Mausgewohnheiten. Das Team wiederholte das Experiment mit Hautzellen von der Schwanzspitze und klonte etwa ein weiteres Dutzend Mäuse.

Das Rezept lief nicht ganz wie geplant. In einem seltsamen Versuch verwendete das Team Zellen von männlichen Mäusen, um die nächste Generation zu klonen, und alle Nachkommen wurden weiblich. Als sie tiefer gruben, fanden sie heraus, dass irgendwie das Y-Chromosom – das einen biologischen Mann bezeichnet – während des Prozesses verloren ging, was zu einem rein weiblichen führte Insel Themyscira. Für die Autoren ist es ein Knick im Prozess, aber kein Blowout für die praktische Anwendung. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass selbst wenn ein Y-Chromosom-Verlust auftritt, diese Technik unter extremen Umständen immer noch auf die verfügbaren genetischen Ressourcen angewendet werden kann, wie z. B. auf fast ausgestorbene Arten“, sagten sie.

Eine Bibliothek für die Konservierung?

Die Technik ist alles andere als perfekt. Es ist mühsam, hat geringe Erfolgsraten und erfordert immer noch Tiefkühllagertemperaturen, die es anfällig für Stromnetzausfälle machen.

Für Dr. Alena Pance von der University of Hertfordshire, die nicht an der Studie beteiligt war, ist die wichtigste Frage, wie lange das genetische Material aufbewahrt werden kann. „Es wäre von größter Bedeutung, eine längere, unbegrenzte Lagerung unter diesen Bedingungen für dieses System zu zeigen, um eine effektive Langzeitkonservierung von Arten und Proben zu gewährleisten“, sagte sie sagte.

Die Autoren sind sich einig, dass es noch mehr Mysterien gibt. Der Körper kann es schwerer haben, DNA-Schäden in somatischen Zellen zu reparieren, verglichen mit Spermien, die ihre Energie von der Entwicklung einer voll funktionsfähigen Eizelle abziehen. Ihr Epigenetik– die reguliert, wie Gene ein- oder ausgeschaltet werden – kann auch durch unvollständige Umprogrammierung durcheinander gebracht werden.

Letztendlich ist dies nur der erste Schritt. Somatische Zellen sind im Vergleich zu reproduktiven Zellen leichter zu erfassen, insbesondere bei unfruchtbaren oder juvenilen Tieren. Es einfacher und billiger zu machen, ist ein Plus. Das Team versucht nun, genetisches Material von Leichen oder Fäkalien zu erfassen, um den Anwendungsbereich zu erweitern.

„Der in dieser Arbeit beschriebene Ansatz bietet eine Alternative zu den derzeitigen Banking-Methoden, und es wäre sicherlich ein großer Vorteil, tolerantere Temperaturen zuzulassen“, sagte Pance.

Bild-Kredit: Wakayama et. al./Naturkommunikation