Naukowcy sklonowali myszy z liofilizowanych komórek skóry, otwierając drzwi do biokonserwacji

Z pozoru Dorami była tylko przeciętną myszą. Dorosła do zdrowej wagi, urodziła własne szczenięta i zmarła naturalnie w okolicach swoich drugich urodzin – około 70 lat w wieku ludzkim i zupełnie nietypowa dla myszy laboratoryjnej.

Z wyjątkiem jednej rzeczy: Dorami została sklonowana z liofilizowanych komórek. I to nie byle jaką komórkę – została sklonowana z komórek somatycznych (komórek, które tworzą nasze ciała), a nie plemników czy jajeczek.

Dorami to ostatni krok w trwający od dziesięcioleci nacisk na wykorzystanie klonowania jako sposobu na zachowanie bioróżnorodności. Triumf Owca Dolly wyjaśnił, że można ożywić zwierzęta za pomocą komórek rozrodczych. Marzenie o przywróceniu wymarłych zwierząt lub obecnych biobanków od tamtego czasu zawładnęło wyobraźnią naukowców. Jednym z potężnych sposobów zachowania DNA gatunku jest przechowywanie plemników w ciekłym azocie. W temperaturze około -320 stopni Fahrenheita komórki można zamrozić na lata.

Ale jest jedna czkawka. Pobieranie komórek rozrodczych od zwierząt znajdujących się na skraju wyginięcia jest – delikatnie mówiąc – niezwykle trudne. W przeciwieństwie do tego zdrapanie kilku komórek skóry lub golenie futra jest stosunkowo proste. Te komórki zawierają pełne DNA zwierzęcia, ale są kruche.

Nowe badanie, kierowana przez dr Teruhiko Wakayamę z Uniwersytetu Yamanashi w Japonii, przeskoczyła z plemników na skórę. Opracowując wysoce techniczny przepis, który sprawi, że każdy szef kuchni wykwintnej kuchni będzie dumny, zespół z powodzeniem sklonował 75 zdrowych myszy z liofilizowanych komórek somatycznych pobranych zarówno od dawców płci męskiej, jak i żeńskiej. Wiele potomków, w tym Dorami, urodziło własne szczenięta.

Przy wskaźniku sukcesu wynoszącym co najwyżej pięć procent — i tak niskim, jak 0.2 procent — technika ta jest daleka od skuteczności. Ale strategia ta wytycza drogę do szerszego obrazu: naszej zdolności do przechowywania i potencjalnego ożywienia wariacji genetycznych prawie wymarłych gatunków.

Do Dr Ben Novak, główny naukowiec w firmie Revive & Restore, badanie jest mile widzianym postępem pomimo swoich niedoskonałości. „Z punktu widzenia ochrony, innowacyjne sposoby tworzenia biobanków zdolnych do reprodukcji typów tkanek to duża potrzeba… więc naprawdę ekscytujące jest obserwowanie tego rodzaju przełomu” powiedziany.

Książka kucharska dotycząca biokonserwacji

Komórki to wybredne stworzenia. Wyobraź sobie wodnisty kleks z maleńkimi molekularnymi fabrykami przywiązanymi do ścian przypominających balony. Zamrożenie komórki bez ochrony może spowodować, że wodniste składniki utworzą ostre kryształki lodu, które uszkadzają wewnętrzne składniki komórki i przebijają ścianę komórkową. Po ponownym podgrzaniu do normalnej temperatury, jak przeciekająca poduszka na szpilki, komórka nie ma szans na przeżycie.

Naukowcy w końcu wymyślili zwycięski przepis na konserwację komórek: kluczem jest dodanie chemicznego środka przeciw zamarzaniu i przechowywanie komórek w metalowych zbiornikach z ciekłym azotem. Komórki są zawieszone w maleńkich fiolkach w pudełkach, które wsuwają się w przypominającą wieżę metalową klatkę. W zależności od rodzaju komórek mogą być przechowywane przez lata. Problem? Konfiguracja jest droga, trudna w utrzymaniu i podatna na awarie zasilania. Wszelkie zakłócenia mogą spowodować katastrofalne straty we wszystkich próbkach. Ze względu na bioróżnorodność nie zawsze jest możliwe posiadanie tak wyrafinowanej konfiguracji w pobliżu zwierzęcia.

Musi być lepszy sposób.

Wiele lat temu Wakayama wyruszył na krucjatę, aby przesunąć granice przechowywania komórek. Skupił się na jednej konkretnej metodzie: liofilizacji. Komórki liofilizowane, znane głównie turystom i astronautom jako sposób na zachowanie składników odżywczych w żywności, okazały się stosunkowo proste. Na przełomie wieków Wakayama i jego zespół pokazałem, że to możliwe do zamrożenia nasienia w celu rozmnażania. Przepis był tak solidny, że utrzymywał plemniki przy życiu przez lata na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, podczas bombardowania promieniowaniem otoczenia. Doprowadziło to również do żywe potomstwo po wrzuceniu do szuflady biurka przez rok bez klimatyzacji.

Komórki somatyczne to inna sprawa. W przeciwieństwie do plemników, komórki tworzące nasze ciała są znacznie bardziej podatne na cząsteczki wody otaczające naszą strukturę DNA, z bardziej delikatnym jądrem. Po zamrożeniu oznacza to, że komórki mogą doznać znacznie większych uszkodzeń, przez co nie nadają się do klonowania.

„Do tej pory jedynymi komórkami, które wyprodukowały potomstwo po liofilizacji, są dojrzałe plemniki [plemniki]” – napisał zespół.

Nowy przepis

Nowa praca poszła na niemożliwe: czy możemy sklonować zwierzę z liofilizowanych komórek somatycznych?

W pierwszej rundzie eksperymentów zespół wyizolował komórki z samic myszy, które zwykle podtrzymują komórkę jajową. Wrzucili komórki do dwóch ochronnych substancji chemicznych i liofilizowali próbki w ciekłym azocie. To nie było ładne: błona ochronna wszystkich komórek pękła, ze śladami rozbitego – ale stosunkowo nienaruszonego – DNA.

Idąc dalej, zespół ponownie nawodnił zamrożoną próbkę po ośmiu miesiącach przechowywania. Z martwego proszku wyizolowali jądra, podobną do nasion strukturę zawierającą DNA, i przeszczepili je do komórki jajowej, z której wyssano materiał genetyczny. To tak, jakby zastąpić tekst jednej książki inną – całkowicie zmieniając jej biologiczne znaczenie.

Sprawa się skomplikowała. Te początkowe „zredagowane” komórki jajowe nie mogły się rozmnażać, prawdopodobnie z powodu DNA i uszkodzeń epigenetycznych. Jako obejście zespół wykorzystał komórki do utworzenia wielu embrionalnych linii komórkowych. Są to odporni pracownicy, szczególnie wydajni w korygowaniu uszkodzeń DNA.

Po rozkwitnięciu zespół następnie wyssał swój materiał genetyczny i wstrzyknął go do jaj myszy z czarnym futrem. Powstałe embriony pozostawiono do rozwoju u myszy z białym futrem — matki zastępczej. Wszystkie powstałe szczenięta przybrały lśniącą czarną sierść swoich dawców DNA, z idealnie normalną wagą i płodnością.

„Po dojrzewaniu losowo wybraliśmy dziewięć samic i trzy samce sklonowanych myszy do kojarzenia z normalnymi myszami laboratoryjnymi” – wyjaśnił zespół. W ciągu mniej więcej trzech miesięcy wszystkie sklonowane samice myszy urodziły następne pokolenie — z nienaruszonymi czterema łapami, wąsami i mysimi nawykami. Powtarzając eksperyment z komórkami skóry z czubka ogona, zespół sklonował kolejnych tuzin myszy.

Przepis nie poszedł zgodnie z planem. W jednej dziwnej próbie zespół wykorzystał komórki samców myszy do sklonowania następnego pokolenia i całe potomstwo stało się samicami. Kopiąc głębiej, odkryli, że w jakiś sposób chromosom Y – oznaczający biologicznego mężczyznę – zgubił się podczas tego procesu, prowadząc do całkowicie żeńskiego wyspa Themyscira. Dla autorów jest to załamanie w procesie, ale nie wybuch w praktycznym zastosowaniu. „Wyniki te sugerują, że nawet jeśli nastąpi utrata chromosomu Y, technika ta może nadal być wykorzystywana do dostępnych zasobów genetycznych w ekstremalnych okolicznościach, takich jak gatunki prawie wymarłe” – powiedzieli.

Biblioteka konserwatorska?

Technika jest daleka od doskonałości. Jest żmudny, ma niski wskaźnik sukcesu i nadal wymaga temperatur przechowywania w zamrażarce, co czyni go podatnym na awarie sieci energetycznej.

Dla dr Aleny Pance z University of Hertfordshire, która nie była zaangażowana w badanie, najważniejsze pytanie brzmi, jak długo można przechowywać materiał genetyczny. „Najważniejsze byłoby wykazanie przedłużonego, nieskończonego przechowywania w tych warunkach, aby ten system zapewnił skuteczną długoterminową ochronę gatunków i próbek” powiedziany.

Autorzy zgadzają się, że tajemnic jest więcej. Organizm może mieć trudniejszy czas na naprawę uszkodzeń DNA w komórkach somatycznych w porównaniu z plemnikiem, który odbiera energię z rozwoju w pełni funkcjonującej komórki jajowej. Ich epigenetyka— który reguluje sposób włączania i wyłączania genów — może również zostać zepsuty z powodu niepełnego przeprogramowania.

Ostatecznie to dopiero pierwszy krok. Komórki somatyczne są łatwiejsze do wychwytywania w porównaniu z komórkami rozrodczymi, zwłaszcza u zwierząt niepłodnych lub młodocianych. Robienie tego łatwiej i taniej to plus. Zespół poszukuje teraz materiału genetycznego ze zwłok lub kału, aby poszerzyć zakres.

„Podejście opisane w tej pracy stanowi alternatywę dla obecnych metod bankowych i z pewnością umożliwienie bardziej liberalnych temperatur byłoby wielką zaletą” – powiedział Pance.

Kredytowych Image: Wakayama i in. al./Natura Komunikacja