Wetenschappers hebben muizen gekloond uit gevriesdroogde huidcellen en hebben de deur geopend naar bioconservering

Op het eerste gezicht was Dorami slechts een gemiddelde muis. Ze groeide op tot een gezond gewicht, kreeg zelf pups en stierf op natuurlijke wijze rond haar tweede verjaardag - ongeveer 70 jaar op menselijke leeftijd, en volkomen normaal voor een laboratoriummuis.

Behalve één ding: Dorami werd gekloond uit gevriesdroogde cellen. En niet zomaar een cel - ze werd gekloond uit somatische cellen (de cellen waaruit ons lichaam bestaat) in plaats van sperma of eieren.

Dorami is de laatste stap in een decennialange poging om klonen te gebruiken als een manier om de biodiversiteit te behouden. De triomf van Dolly de schapen maakte duidelijk dat het mogelijk is om dieren te doen herleven met behulp van voortplantingscellen. De droom om uitgestorven dieren te herstellen, of huidige biobankieren, spreekt sindsdien tot de verbeelding van wetenschappers. Een krachtige manier om het DNA van een soort te behouden, is door sperma op te slaan in vloeibare stikstof. Bij ongeveer -320 graden Fahrenheit kunnen de cellen jarenlang in de tijd worden bevroren.

Maar er is één hapering. Het verzamelen van voortplantingscellen van dieren die op de rand van uitsterven staan, is op zijn zachtst gezegd buitengewoon moeilijk. Het afkrabben van een paar huidcellen of het scheren van wat vacht is daarentegen relatief eenvoudig. Deze cellen bevatten het volledige DNA van het dier, maar ze zijn kwetsbaar.

De nieuwe studie, onder leiding van Dr. Teruhiko Wakayama aan de Universiteit van Yamanashi in Japan, maakte de sprong van sperma naar huid. Door een zeer technisch recept te ontwikkelen waar elke chef-kok trots op zou zijn, heeft het team met succes 75 gezonde muizen gekloond uit gevriesdroogde lichaamscellen die waren verzameld van zowel mannelijke als vrouwelijke donoren. Veel nakomelingen, waaronder Dorami, kregen zelf pups.

Met een slagingspercentage van maximaal ongeveer vijf procent - en slechts 0.2 procent - is de techniek verre van efficiënt. Maar de strategie baant een weg naar het grotere geheel: ons vermogen om genetische variaties van bijna uitgestorven soorten op te slaan en mogelijk nieuw leven in te blazen.

Naar Dr. Ben Nova, hoofdwetenschapper bij Revive & Restore, is de studie ondanks de onvolkomenheden een welkome vooruitgang. "Vanuit het oogpunt van instandhouding is het innoveren van nieuwe manieren om reproductief levensvatbare weefseltypes te biobankeren een grote behoefte ... dus het is echt opwindend om dit soort doorbraken te zien," hij zei.

Het kookboek voor bioconservering

Cellen zijn kieskeurige wezens. Stel je een waterige klodder voor met kleine moleculaire fabrieken vastgebonden aan zijn ballonachtige muren. Het bevriezen van een cel zonder bescherming kan ertoe leiden dat de waterige componenten scherpe ijskristallen vormen, die de binnenste componenten van de cel beschadigen en de celwand doorboren. Wanneer de cel weer wordt opgewarmd tot normale temperaturen, zoals een lekkend speldenkussen, heeft de cel geen kans om te overleven.

Wetenschappers hebben uiteindelijk een winnend recept bedacht voor het conserveren van cellen: de sleutel is het toevoegen van een chemisch antivriesmiddel en het opslaan van de cellen in zware metalen tanks met vloeibare stikstof. De cellen zijn opgehangen in kleine flesjes in dozen die in een torenachtige metalen kooi glijden. Afhankelijk van het celtype zijn ze jarenlang houdbaar. Het probleem? De installatie is duur, moeilijk te onderhouden en gevoelig voor stroomstoringen. Elke verstoring kan catastrofale verliezen veroorzaken in alle monsters. Voor de biodiversiteit is het niet altijd haalbaar om zo'n geavanceerde opstelling in de buurt van het dier te hebben.

Er moet een betere manier zijn.

Jaren geleden ging Wakayama op kruistocht om de grenzen van celopslag te verleggen. Hij richtte zich op één specifieke methode: vriesdrogen. Vooral bekend bij backpackers en astronauten als een manier om voedingsstoffen in voedsel te bewaren, bleek het vriesdrogen van cellen relatief eenvoudig. Aan het begin van de eeuw, Wakayama en zijn team liet zien dat het mogelijk is sperma te vriesdrogen voor reproductie. Het recept was zo robuust dat het hield sperma in leven jarenlang aan boord van het International Space Station, terwijl ze werden gebombardeerd met omgevingsniveaus van straling. Het leidde ook tot levend nageslacht nadat hij in een bureaula werd gegooid voor een jaar zonder klimaatbeheersing.

Somatische cellen zijn een andere zaak. In tegenstelling tot sperma zijn de cellen waaruit ons lichaam bestaat veel vatbaarder voor watermoleculen die onze DNA-structuur omhelzen, met een fragielere kern. Als ze bevroren zijn, kunnen de cellen veel meer schade oplopen, waardoor ze onbruikbaar worden voor klonen.

"Tot op heden zijn de enige cellen die nakomelingen hebben voortgebracht na vriesdrogen, rijpe spermatozoa [sperma]", schreef het team.

Een nieuw recept

Het nieuwe werk ging voor het onmogelijke: kunnen we een dier klonen uit gevriesdroogde lichaamscellen?

In de eerste ronde van experimenten isoleerde het team cellen van vrouwelijke muizen die meestal de eicel ondersteunen. Ze gooiden de cellen in twee beschermende chemicaliën en vriesdroogden de monsters in vloeibare stikstof. Het was niet mooi: het beschermende membraan van alle cellen brak, met tekenen van verbrijzeld - maar relatief intact - DNA.

Het team ploegde verder en rehydrateerde het bevroren monster na maximaal acht maanden opslag. Van het levenloze poeder isoleerden ze de kernen, de zaadachtige structuur die DNA bevat, en transplanteerden het in een eicel waarvan het genetische materiaal eruit werd gezogen. Het is alsof je de tekst van het ene boek vervangt door het andere - de biologische betekenis ervan verandert volledig.

Het werd ingewikkelder. Deze aanvankelijk "bewerkte" eicellen konden zich niet voortplanten, waarschijnlijk als gevolg van DNA en epigenetische schade. Als tijdelijke oplossing gebruikte het team de cellen om meerdere embryonale cellijnen te vormen. Dit zijn veerkrachtige werkers, vooral efficiënt in het corrigeren van DNA-schade.

Toen het eenmaal floreerde, zoog het team vervolgens hun genetisch materiaal eruit en injecteerde het in eieren van muizen met zwarte vacht. De resulterende embryo's werden overgelaten om zich te ontwikkelen in muizen met een witte vacht - de draagmoeder. Alle resulterende pups kregen de glanzende zwarte vacht van hun DNA-donoren, met volkomen normale gewichten en vruchtbaarheid.

"Na rijping selecteerden we willekeurig negen vrouwelijke en drie mannelijke gekloonde muizen om te paren met normale laboratoriummuizen", legt het team uit. In ongeveer drie maanden baarden alle gekloonde vrouwelijke muizen de volgende generatie - met vier poten, snorharen en muisachtige gewoonten. Door het experiment met huidcellen vanaf de punt van de staart te herhalen, kloonde het team nog een tiental muizen.

Het recept ging niet helemaal zoals gepland. In een vreemde proef gebruikte het team cellen van mannelijke muizen om de volgende generatie te klonen, en alle nakomelingen werden vrouwtjes. Dieper gravend, ontdekten ze dat op de een of andere manier het Y-chromosoom - dat een biologische man aanduidt - tijdens het proces verloren ging, wat leidde tot een volledig vrouwelijke eiland Themyscira. Voor de auteurs is het een knik in het proces, maar geen uitbarsting voor praktisch gebruik. "Deze resultaten suggereren dat zelfs als er verlies van Y-chromosoom optreedt, deze techniek nog steeds kan worden gebruikt voor de beschikbare genetische bronnen in extreme omstandigheden, zoals bijna uitgestorven soorten," zeiden ze.

Een bibliotheek voor conservatie?

De techniek is verre van perfect. Het is vervelend, heeft lage slagingspercentages en vereist nog steeds bewaartemperaturen in de vriezer waardoor het vatbaar is voor storingen in het energienet.

Voor dr. Alena Pance van de University of Hertfordshire, die niet bij het onderzoek betrokken was, is de belangrijkste vraag hoe lang het genetische materiaal kan worden bewaard. "Het zou van het grootste belang zijn om langdurige, onbeperkte opslag in deze omstandigheden aan te tonen, zodat dit systeem een ​​effectieve langetermijnbewaring van soorten en monsters kan bieden", zei ze. zei.

De auteurs zijn het erover eens dat er meer mysteries zijn. Het lichaam kan het moeilijker hebben om DNA-schade in somatische cellen te herstellen in vergelijking met sperma, dat hun energie onttrekt aan het ontwikkelen van een volledig functionerend ei. Hun epigenetica- die regelt hoe genen worden in- of uitgeschakeld - kan ook in de war zijn vanwege onvolledige herprogrammering.

Uiteindelijk is dit slechts de eerste stap. Somatische cellen zijn gemakkelijker te vangen dan reproductieve cellen, vooral voor onvruchtbare of jonge dieren. Makkelijker en goedkoper doen is een pluspunt. Het team is nu op zoek naar genetisch materiaal van kadavers of uitwerpselen om de reikwijdte te verbreden.

"De benadering die in dit werk wordt beschreven, biedt een alternatief voor de huidige bankmethoden en het toestaan ​​van meer tolerante temperaturen zou zeker een groot voordeel zijn", zei Pance.

Krediet van het beeld: Wakayama et. al./Natuurcommunicatie