Forskere klonet mus fra frysetørkede hudceller, og åpnet døren for biokonservering

På overflaten var Dorami bare en gjennomsnittlig mus. Hun vokste til en sunn vekt, fikk sine egne valper og døde naturlig nær sin andre bursdag - omtrent 70 år i menneskealder, og helt uvanlig for en laboratoriemus.

Bortsett fra én ting: Dorami ble klonet fra frysetørkede celler. Og ikke hvilken som helst celle – hun ble klonet fra somatiske celler (cellene som utgjør kroppene våre) i stedet for sædceller eller egg.

Dorami er det siste forsøket på et tiår langt arbeid for å bruke kloning som en måte å bevare biologisk mangfold. Triumfen av Dolly sauene gjorde det klart at det er mulig å gjenopplive dyr ved å bruke reproduktive celler. Drømmen om å gjenopprette utdødde dyr, eller biobanking av nåværende, har fanget vitenskapsmenns fantasi siden den gang. En kraftig måte å bevare en arts DNA på er å lagre sædceller i flytende nitrogen. Ved omtrent -320 grader Fahrenheit kan cellene fryses ned i tide i årevis.

Men det er en hikke. Å samle reproduksjonsceller fra dyr på randen av utryddelse er – for å si det mildt – ekstremt vanskelig. I kontrast er det relativt enkelt å skrape av noen hudceller eller barbere litt pels. Disse cellene inneholder dyrets komplette DNA, men de er skjøre.

Den nye studien, ledet av Dr. Teruhiko Wakayama ved University of Yamanashi i Japan, tok spranget fra sæd til hud. Teamet utviklet en svært teknisk oppskrift som ville gjøre enhver gourmetkokk stolt, og klonet 75 friske mus fra frysetørkede somatiske celler samlet fra både mannlige og kvinnelige donorer. Mange avkom, inkludert Dorami, fortsatte med å få egne valper.

Med en suksessrate på omtrent fem prosent på det meste – og så lavt som 0.2 prosent – ​​er teknikken langt fra effektiv. Men strategien gir en vei mot det større bildet: vår evne til å lagre og potensielt gjenopplive genetiske variasjoner av nesten utdødde arter.

Til Dr. Ben Novak, hovedforsker ved Revive & Restore, er studien et velkomment fremskritt til tross for dens ufullkommenhet. "Fra et bevaringssynspunkt er det et stort behov å innovere nye måter å biobankre reproduktivt levedyktige vevstyper ... så det er veldig spennende å se denne typen gjennombrudd," han sa.

Kokeboken for biokonservering

Celler er kresne skapninger. Se for deg en vannaktig blob med små molekylære fabrikker bundet til sine ballonglignende vegger. Frysing av en celle uten beskyttelse kan føre til at de vannholdige komponentene danner skarpe iskrystaller, som skader cellens indre komponenter og punkterer celleveggen. Når den varmes opp igjen til normale temperaturer, som en lekkende nålepute, har ikke cellen en sjanse til å overleve.

Forskere fant til slutt ut en vinnende oppskrift for å bevare celler: nøkkelen er å legge til en kjemisk frostvæske og lagre cellene i tungmetalltanker med flytende nitrogen. Cellene er suspendert i bittesmå hetteglass inne i bokser som glir inn i et tårnlignende metallbur. Avhengig av celletype kan de bevares i årevis. Problemet? Oppsettet er dyrt, vanskelig å vedlikeholde og utsatt for strømbrudd. Eventuelle forstyrrelser kan forårsake katastrofale tap i alle prøvene. For biologisk mangfold er det ikke alltid mulig å ha et så sofistikert oppsett i nærheten av dyret.

Det må finnes en bedre måte.

For mange år siden dro Wakayama på et korstog for å presse grensene for cellelagring. Han fokuserte på én spesifikk metode: frysetørking. Mest kjent for backpackere og astronauter som en måte å bevare næringsstoffer i maten, viste frysetørkingsceller seg å være relativt enkle. Ved århundreskiftet, Wakayama og teamet hans viste at det er mulig å frysetørke sædceller for reproduksjon. Oppskriften var så robust den holdt sædcellene i live i årevis ombord på den internasjonale romstasjonen, mens de ble bombardert med omgivelsesnivåer av stråling. Det førte også til levende avkom etter å ha blitt kastet i en skrivebordsskuff for et år uten klimakontroll.

Somatiske celler er en annen sak. I motsetning til sædceller, er cellene som utgjør kroppene våre langt mer utsatt for vannmolekyler som klemmer DNA-strukturen vår, med en mer skjør kjerne. Når de er frosne, betyr det at cellene kan oppleve mye mer skade, noe som gjør dem ubrukelige for kloning.

"Til dags dato er de eneste cellene som har produsert avkom etter frysetørking modne sædceller," skrev teamet.

En ny oppskrift

Det nye arbeidet gikk for det umulige: kan vi klone et dyr fra frysetørkede somatiske celler?

I den første runden med eksperimenter isolerte teamet celler fra hunnmus som vanligvis støtter eggcellen. De kastet cellene i to beskyttende kjemikalier og frysetørket prøvene i flytende nitrogen. Det var ikke pent: den beskyttende membranen til alle cellene brøt, med tegn på knust - men relativt intakt - DNA.

Teamet pløyde videre og rehydrerte den frosne prøven etter opptil åtte måneders lagring. Fra det livløse pulveret isolerte de kjernene, den frølignende strukturen som huser DNA, og transplanterte det inn i en eggcelle som fikk sitt genetiske materiale sugd ut. Det er som å erstatte teksten i en bok med en annen – å fullstendig endre dens biologiske betydning.

Det ble mer komplisert. Disse første "redigerte" eggcellene kunne ikke reprodusere, sannsynligvis på grunn av DNA og epigenetisk skade. Som en løsning brukte teamet cellene til å danne flere embryonale cellelinjer. Dette er spenstige arbeidere, spesielt effektive til å korrigere DNA-skader.

Da teamet først blomstret, sugde de ut det genetiske materialet og injiserte det i egg fra mus med svart pels. De resulterende embryoene ble overlatt til å utvikle seg i mus med hvit pels - surrogatmoren. Alle valpene tok på seg den skinnende svarte pelsen til DNA-giverne sine, med helt normal vekt og fruktbarhet.

"Etter modning valgte vi tilfeldig ni kvinnelige og tre klonede hannmus for parring med normale laboratoriemus," forklarte teamet. På omtrent tre måneder fødte alle de klonede hunnmusene den neste generasjonen – med fire poter, værhår og musevaner intakte. Ved å gjenta eksperimentet med hudceller fra halespissen, klonet teamet ytterligere et dusin eller så mus.

Oppskriften ble ikke helt som planlagt. I en merkelig rettssak brukte teamet celler fra hannmus for å klone neste generasjon, og alle avkommet ble hunner. Ved å grave dypere fant de ut at Y-kromosomet – som betegner en biologisk hann – gikk seg vill under prosessen, noe som førte til en kvinnelig øya Themyscira. For forfatterne er det en knekk i prosessen, men ikke en utblåsning for praktisk bruk. "Disse resultatene tyder på at selv om tap av Y-kromosom skjer, kan denne teknikken fortsatt brukes til de tilgjengelige genetiske ressursene under ekstreme omstendigheter, for eksempel nesten utdødde arter," sa de.

Et bibliotek for bevaring?

Teknikken er langt fra perfekt. Det er kjedelig, har lave suksessrater og krever fortsatt fryselagringstemperaturer som gjør det utsatt for feil i energinettet.

For Dr. Alena Pance ved University of Hertfordshire, som ikke var involvert i studien, er det viktigste spørsmålet hvor lenge det genetiske materialet kan lagres. "Det ville være avgjørende å vise utvidet, ubestemt lagring under disse forholdene for at dette systemet skal gi en effektiv langsiktig bevaring av arter og prøver," hun sa.

Forfatterne er enige om at det er flere mysterier. Kroppen kan ha vanskeligere for å reparere DNA-skader i somatiske celler sammenlignet med sædceller, som trekker energien deres fra å utvikle et fullt fungerende egg. Deres epigenetikk– som regulerer hvordan gener slås på eller av – kan også bli rotet til på grunn av ufullstendig omprogrammering.

Til syvende og sist er dette bare det første trinnet. Somatiske celler er lettere å fange sammenlignet med reproduktive, spesielt for infertile eller unge dyr. Å gjøre det enklere og billigere er et pluss. Teamet er nå ute etter å fange genetisk materiale fra kadaver eller avføring for å utvide omfanget.

"Tilnærmingen beskrevet i dette arbeidet tilbyr et alternativ til dagens bankmetoder, og det vil absolutt være en stor fordel å tillate mer tillate temperaturer," sa Pance.

Bilde Credit: Wakayama et. al./Nature Communications