Επιστήμονες κλωνοποίησαν ποντίκια από λυοφιλοποιημένα κύτταρα δέρματος, ανοίγοντας την πόρτα στη βιοσυντήρηση

Επιφανειακά, ο Dorami ήταν απλώς ένα μέσο ποντίκι. Μεγάλωσε σε υγιές βάρος, απέκτησε δικά της κουτάβια και πέθανε φυσικά κοντά στα δεύτερα γενέθλιά της - περίπου 70 ετών σε ανθρώπινη ηλικία και εντελώς ασυνήθιστο για ένα ποντίκι εργαστηρίου.

Εκτός από ένα πράγμα: Το Dorami κλωνοποιήθηκε από λυοφιλοποιημένα κύτταρα. Και όχι οποιοδήποτε κύτταρο—κλωνοποιήθηκε από σωματικά κύτταρα (τα κύτταρα που αποτελούν το σώμα μας) και όχι από σπέρμα ή ωάρια.

Το Dorami είναι η τελευταία επιδρομή σε μια ώθηση δεκαετιών για χρήση της κλωνοποίησης ως τρόπο διατήρησης της βιοποικιλότητας. Ο θρίαμβος του Ντολλί τα πρόβατα κατέστησε σαφές ότι είναι δυνατή η αναζωογόνηση ζώων χρησιμοποιώντας αναπαραγωγικά κύτταρα. Το όνειρο της αποκατάστασης εξαφανισμένων ζώων, ή η βιοτραπεζική των σημερινών, έχει αιχμαλωτίσει τη φαντασία των επιστημόνων από τότε. Ένας ισχυρός τρόπος διατήρησης του DNA ενός είδους είναι η αποθήκευση του σπέρματος σε υγρό άζωτο. Σε περίπου -320 βαθμούς Φαρενάιτ, τα κύτταρα μπορούν να παγώσουν στο χρόνο για χρόνια.

Αλλά υπάρχει ένας λόξυγκας. Η συλλογή αναπαραγωγικών κυττάρων από ζώα που βρίσκονται στο χείλος της εξαφάνισης είναι —για να το θέσω ήπια— εξαιρετικά δύσκολη. Αντίθετα, το ξύσιμο μερικών κυττάρων του δέρματος ή το ξύρισμα κάποιας γούνας είναι σχετικά απλό. Αυτά τα κύτταρα περιέχουν το πλήρες DNA του ζώου, αλλά είναι εύθραυστα.

Η νέα μελέτη, με επικεφαλής τον Δρ. Teruhiko Wakayama στο Πανεπιστήμιο Yamanashi στην Ιαπωνία, έκανε το άλμα από το σπέρμα στο δέρμα. Αναπτύσσοντας μια εξαιρετικά τεχνική συνταγή που θα έκανε περήφανο οποιονδήποτε καλό σεφ, η ομάδα κλωνοποίησε επιτυχώς 75 υγιή ποντίκια από λυοφιλοποιημένα σωματικά κύτταρα που συλλέχθηκαν τόσο από άνδρες όσο και από γυναίκες δότες. Πολλοί απόγονοι, συμπεριλαμβανομένου του Dorami, συνέχισαν να έχουν δικά τους κουτάβια.

Με ποσοστό επιτυχίας περίπου πέντε τοις εκατό το πολύ - και τόσο χαμηλό όσο 0.2 τοις εκατό - η τεχνική απέχει πολύ από το να είναι αποτελεσματική. Αλλά η στρατηγική χαράσσει ένα μονοπάτι προς τη μεγαλύτερη εικόνα: την ικανότητά μας να αποθηκεύουμε και ενδεχομένως να αναβιώσουμε γενετικές παραλλαγές ειδών που σχεδόν εξαφανίζονται.

Προς την Δρ Μπεν Νόβακ, επικεφαλής επιστήμονας στο Revive & Restore, η μελέτη είναι μια ευπρόσδεκτη πρόοδος παρά τις ατέλειές της. «Από άποψη διατήρησης, η καινοτομία νέων τρόπων για τη βιοτράπεζα βιώσιμων αναπαραγωγικών τύπων ιστών είναι μεγάλη ανάγκη… επομένως είναι πραγματικά συναρπαστικό να βλέπουμε αυτό το είδος ανακάλυψης», είπε.

Το Βιβλίο Μαγειρικής Βιοσυντήρησης

Τα κύτταρα είναι επιπόλαια πλάσματα. Φανταστείτε μια υδαρή σταγόνα με μικροσκοπικά μοριακά εργοστάσια δεμένα στα τοιχώματα που μοιάζουν με μπαλόνια. Η κατάψυξη ενός κυττάρου χωρίς προστασία μπορεί να προκαλέσει τα υδαρή συστατικά να σχηματίσουν αιχμηρούς κρυστάλλους πάγου, οι οποίοι βλάπτουν τα εσωτερικά συστατικά του κυττάρου και τρυπούν το κυτταρικό τοίχωμα. Όταν θερμαίνεται ξανά σε κανονικές θερμοκρασίες, όπως ένα μαξιλάρι που διαρρέει, το στοιχείο δεν έχει την ευκαιρία να επιβιώσει.

Οι επιστήμονες βρήκαν τελικά μια νικητήρια συνταγή για τη διατήρηση των κυττάρων: το κλειδί είναι η προσθήκη ενός χημικού αντιψυκτικού και η αποθήκευση των κυττάρων σε βαρέα μεταλλικά δοχεία υγρού αζώτου. Τα κύτταρα αιωρούνται σε μικροσκοπικά φιαλίδια μέσα σε κουτιά που γλιστρούν σε ένα μεταλλικό κλουβί που μοιάζει με πύργο. Ανάλογα με τον τύπο του κυττάρου, μπορούν να διατηρηθούν για χρόνια. Το πρόβλημα? Η εγκατάσταση είναι δαπανηρή, δύσκολη στη συντήρηση και επιρρεπής σε διακοπές ρεύματος. Τυχόν διαταραχές θα μπορούσαν να προκαλέσουν καταστροφική απώλεια σε όλα τα δείγματα. Για τη βιοποικιλότητα, δεν είναι πάντα εφικτό να υπάρχει μια τόσο εξελιγμένη διάταξη κοντά στο ζώο.

Πρέπει να υπάρχει καλύτερος τρόπος.

Πριν από χρόνια, ο Wakayama πήγε σε μια σταυροφορία για να ωθήσει τα όρια της αποθήκευσης κυττάρων. Εστίασε σε μια συγκεκριμένη μέθοδο: λυοφιλοποίηση. Κυρίως γνωστό στους ταξιδιώτες με σακίδιο και τους αστροναύτες ως τρόπος διατήρησης των θρεπτικών συστατικών στα τρόφιμα, τα κύτταρα λυοφιλοποίησης αποδείχθηκαν σχετικά απλά. Στην αλλαγή του αιώνα, ο Wakayama και η ομάδα του έδειξε ότι είναι δυνατό για να στεγνώσει με κατάψυξη σπέρμα για αναπαραγωγή. Η συνταγή ήταν τόσο στιβαρή κράτησε το σπέρμα ζωντανό επί χρόνια στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, ενώ βομβαρδίζεται με περιβαλλοντικά επίπεδα ακτινοβολίας. οδήγησε επίσης σε ζωντανός απόγονος αφού χώθηκε σε ένα συρτάρι γραφείου για έναν χρόνο χωρίς έλεγχο του κλίματος.

Τα σωματικά κύτταρα είναι διαφορετική υπόθεση. Σε αντίθεση με το σπέρμα, τα κύτταρα που αποτελούν το σώμα μας είναι πολύ πιο επιρρεπή στα μόρια του νερού που αγκαλιάζουν τη δομή του DNA μας, με έναν πιο εύθραυστο πυρήνα. Όταν καταψύχονται, σημαίνει ότι τα κύτταρα μπορεί να υποστούν πολύ μεγαλύτερη ζημιά, καθιστώντας τα άχρηστα για κλωνοποίηση.

«Μέχρι σήμερα, τα μόνα κύτταρα που έχουν παράγει απογόνους μετά την ξήρανση με κατάψυξη είναι τα ώριμα σπερματοζωάρια [σπερματοζωάρια]», έγραψε η ομάδα.

Μια νέα συνταγή

Το νέο έργο πήγε για το αδύνατο: μπορούμε να κλωνοποιήσουμε ένα ζώο από λυοφιλοποιημένα σωματικά κύτταρα;

Στον πρώτο γύρο των πειραμάτων, η ομάδα απομόνωσε κύτταρα από θηλυκά ποντίκια που συνήθως υποστηρίζουν το ωάριο. Έριξαν τα κύτταρα σε δύο προστατευτικές χημικές ουσίες και λυοφιλοποιήθηκαν τα δείγματα σε υγρό άζωτο. Δεν ήταν όμορφο: η προστατευτική μεμβράνη όλων των κυττάρων έσπασε, με σημάδια θρυμματισμένου —αλλά σχετικά άθικτου— DNA.

Οργώνοντας μπροστά, η ομάδα ενυδάτωσε το κατεψυγμένο δείγμα μετά από αποθήκευση έως και οκτώ μήνες. Από την άψυχη σκόνη απομόνωσαν τους πυρήνες, τη δομή που μοιάζει με σπόρο που φιλοξενεί το DNA, και το μεταμόσχευσαν σε ένα κύτταρο ωαρίου που είχε το γενετικό του υλικό αναρροφημένο. Είναι σαν να αντικαθιστάς το κείμενο ενός βιβλίου με ένα άλλο — αλλάζοντας τελείως το βιολογικό του νόημα.

Έγινε πιο περίπλοκο. Αυτά τα αρχικά «επεξεργασμένα» ωάρια δεν μπορούσαν να αναπαραχθούν, πιθανότατα λόγω DNA και επιγενετικής βλάβης. Ως λύση, η ομάδα χρησιμοποίησε τα κύτταρα για να σχηματίσει πολλαπλές εμβρυϊκές κυτταρικές σειρές. Αυτοί είναι ανθεκτικοί εργαζόμενοι, ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στη διόρθωση της βλάβης του DNA.

Μόλις ευδοκιμούσε, η ομάδα στη συνέχεια ρούφηξε το γενετικό τους υλικό και το έκανε ένεση σε αυγά ποντικών με μαύρη γούνα. Τα έμβρυα που προέκυψαν αφέθηκαν να αναπτυχθούν σε ποντίκια με λευκή γούνα - την παρένθετη μητέρα. Όλα τα κουτάβια που προέκυψαν πήραν τη γυαλιστερή μαύρη γούνα των δωρητών DNA τους, με απόλυτα φυσιολογικά βάρη και γονιμότητα.

«Μετά την ωρίμανση, επιλέξαμε τυχαία εννέα θηλυκά και τρία αρσενικά κλωνοποιημένα ποντίκια για ζευγάρωμα με κανονικά εργαστηριακά ποντίκια», εξήγησε η ομάδα. Σε περίπου τρεις μήνες, όλα τα κλωνοποιημένα θηλυκά ποντίκια γέννησαν την επόμενη γενιά - με άθικτα τέσσερα πόδια, μουστάκια και ποντίκια. Επαναλαμβάνοντας το πείραμα με κύτταρα δέρματος από την άκρη της ουράς, η ομάδα κλωνοποίησε άλλες δώδεκα περίπου ποντίκια.

Η συνταγή δεν πήγε ακριβώς όπως είχε προγραμματιστεί. Σε μια περίεργη δοκιμή, η ομάδα χρησιμοποίησε κύτταρα από αρσενικά ποντίκια για να κλωνοποιήσει την επόμενη γενιά και όλοι οι απόγονοι έγιναν θηλυκά. Σκάβοντας βαθύτερα, ανακάλυψαν ότι κατά κάποιο τρόπο το χρωμόσωμα Υ - που ορίζει ένα βιολογικό αρσενικό - χάθηκε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, οδηγώντας σε ένα αποκλειστικά θηλυκό νησί της Θεμύσκιρας. Για τους συγγραφείς, είναι μια στροφή στη διαδικασία, αλλά όχι μια έκρηξη για πρακτική χρήση. «Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ακόμη και αν συμβεί απώλεια χρωμοσώματος Υ, αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους διαθέσιμους γενετικούς πόρους σε ακραίες συνθήκες, όπως τα σχεδόν εξαφανισμένα είδη», είπαν.

Μια βιβλιοθήκη για συντήρηση;

Η τεχνική απέχει πολύ από το να είναι τέλεια. Είναι κουραστικό, έχει χαμηλά ποσοστά επιτυχίας και εξακολουθεί να απαιτεί θερμοκρασίες αποθήκευσης στον καταψύκτη που το καθιστούν επιρρεπές σε αστοχίες του ενεργειακού δικτύου.

Για την Δρ Alena Pance στο Πανεπιστήμιο του Hertfordshire, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη, το πιο σημαντικό ερώτημα είναι πόσο καιρό μπορεί να αποθηκευτεί το γενετικό υλικό. «Θα ήταν υψίστης σημασίας να επιδείξουμε εκτεταμένη, αόριστη αποθήκευση σε αυτές τις συνθήκες, ώστε αυτό το σύστημα να παρέχει αποτελεσματική μακροπρόθεσμη διατήρηση ειδών και δειγμάτων», είπε. είπε.

Οι συγγραφείς συμφωνούν ότι υπάρχουν περισσότερα μυστήρια. Το σώμα μπορεί να έχει δυσκολότερο χρόνο να επιδιορθώσει τη βλάβη του DNA στα σωματικά κύτταρα σε σύγκριση με το σπέρμα, το οποίο αφαιρεί την ενέργειά τους από την ανάπτυξη ενός πλήρως λειτουργικού ωαρίου. Δικα τους επιγενετική—το οποίο ρυθμίζει τον τρόπο ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης των γονιδίων—μπορεί επίσης να καταστραφεί λόγω ατελούς επαναπρογραμματισμού.

Τελικά, αυτό είναι μόνο το πρώτο βήμα. Τα σωματικά κύτταρα είναι πιο εύκολο να συλληφθούν σε σύγκριση με τα αναπαραγωγικά, ειδικά για στείρα ή νεαρά ζώα. Το να το κάνεις ευκολότερα και φθηνότερα είναι ένα συν. Η ομάδα προσπαθεί τώρα να συλλάβει γενετικό υλικό από πτώματα ή περιττώματα για να διευρύνει το πεδίο εφαρμογής.

«Η προσέγγιση που περιγράφεται σε αυτή την εργασία προσφέρει μια εναλλακτική λύση στις σημερινές τραπεζικές μεθόδους και σίγουρα το να επιτρέπονται πιο επιτρεπτές θερμοκρασίες θα ήταν ένα μεγάλο πλεονέκτημα», είπε ο Pance.

Image Credit: Wakayama et. al./Nature Communications