Znanstveniki klonirali miši iz liofiliziranih kožnih celic in tako odprli vrata biološkemu konzerviranju

Na videz je bila Dorami le povprečna miška. Zrasla je do zdrave teže, imela svoje mladiče in naravno poginila blizu svojega drugega rojstnega dne – približno 70 let v človeški starosti in povsem neobičajno za laboratorijsko miško.

Razen ene stvari: Dorami je bil kloniran iz liofiliziranih celic. In ne katere koli celice – bila je klonirana iz somatskih celic (celic, ki sestavljajo naše telo) in ne iz sperme ali jajčec.

Dorami je najnovejši napad na desetletja dolgo prizadevanje za uporabo kloniranja kot načina za ohranjanje biotske raznovrstnosti. Zmagoslavje Ovca Dolly jasno povedal, da je mogoče živali oživiti z uporabo reproduktivnih celic. Sanje o obnovitvi izumrlih živali ali sedanjih biobank so vse od takrat burile domišljijo znanstvenikov. Eden močnih načinov za ohranitev DNK vrste je shranjevanje sperme v tekočem dušiku. Pri približno -320 stopinjah Fahrenheita lahko celice zamrznemo v času več let.

Ampak obstaja ena zadrega. Zbiranje reproduktivnih celic pri živalih na robu izumrtja je, milo rečeno, izredno težko. Nasprotno pa je praskanje nekaj kožnih celic ali britje dlake relativno preprosto. Te celice vsebujejo celotno DNK živali, vendar so krhke.

Nova študija, ki ga vodi dr. Teruhiko Wakayama na Univerzi Yamanashi na Japonskem, naredil preskok s sperme na kožo. Z razvojem visoko tehničnega recepta, na katerega bi bil ponosen vsak vrhunski kuhar, je ekipa uspešno klonirala 75 zdravih miši iz liofiliziranih somatskih celic, zbranih tako moških kot ženskih darovalcev. Mnogi potomci, vključno z Dorami, so imeli svoje mladiče.

S stopnjo uspešnosti največ približno pet odstotkov – in le 0.2 odstotka – tehnika še zdaleč ni učinkovita. Toda strategija utira pot do širše slike: naše sposobnosti shranjevanja in morebitnega oživljanja genetskih variacij skoraj izumrlih vrst.

Da Ben Novak dr, vodilni znanstvenik pri Revive & Restore, je študija kljub svojim nepopolnostim dobrodošel napredek. "Z vidika ohranjanja je inovacija novih načinov za biobanko reproduktivno sposobnih vrst tkiv velika potreba ... zato je res vznemirljivo videti tovrsten preboj," je dejal. je dejal.

Kuharica za biokonzervacijo

Celice so izbirčna bitja. Predstavljajte si vodno blodo z majhnimi molekularnimi tovarnami, privezanimi na balonaste stene. Zamrzovanje celice brez zaščite lahko povzroči, da vodne komponente tvorijo ostre ledene kristale, ki poškodujejo notranje komponente celice in predrejo celično steno. Ko se celica ponovno segreje na normalno temperaturo, kot je blazina za igle, ki pušča, nima možnosti za preživetje.

Znanstveniki so sčasoma odkrili zmagovalni recept za ohranjanje celic: ključno je dodajanje kemičnega sredstva proti zmrzovanju in shranjevanje celic v težkih kovinskih rezervoarjih s tekočim dušikom. Celice so obešene v majhnih vialah v škatlah, ki zdrsnejo v stolpu podobno kovinsko kletko. Odvisno od vrste celice se lahko ohranijo več let. Težava? Namestitev je draga, težka za vzdrževanje in nagnjena k izpadom električne energije. Kakršne koli motnje bi lahko povzročile katastrofalne izgube v vseh vzorcih. Za biotsko raznovrstnost ni vedno mogoče imeti tako prefinjene namestitve v bližini živali.

Mora obstajati boljši način.

Pred leti je Wakayama šel na križarsko vojno, da bi premaknil meje shranjevanja celic. Osredotočil se je na eno posebno metodo: liofilizacijo. Popotnikom in astronavtom večinoma poznan kot način ohranjanja hranilnih snovi v hrani, se je izkazalo, da je liofilizirane celice sorazmerno preproste. Na prelomu stoletja so Wakayama in njegova ekipa pokazal, da je mogoče za zamrzovanje in sušenje sperme za razmnoževanje. Recept je bil tako robusten ohranil spermo pri življenju leta na Mednarodni vesoljski postaji, medtem ko je bil bombardiran z okoljskimi ravnmi sevanja. Pripeljalo je tudi do žive potomce potem ko so ga vrgli v predal mize za eno leto brez klimatske naprave.

Somatske celice so nekaj drugega. Za razliko od sperme so celice, ki sestavljajo naše telo, veliko bolj nagnjene k temu, da vodne molekule objemajo našo strukturo DNK z bolj krhkim jedrom. Ko so zamrznjene, to pomeni, da lahko celice doživijo veliko večjo škodo, zaradi česar so neuporabne za kloniranje.

"Do danes so edine celice, ki so proizvedle potomce po sušenju z zamrzovanjem, zrela sperma [sperma]," je zapisala ekipa.

Nov recept

Novo delo je šlo za nemogoče: ali lahko kloniramo žival iz liofiliziranih somatskih celic?

V prvem krogu poskusov je ekipa izolirala celice iz samic miši, ki običajno podpirajo jajčno celico. Celice so vrgli v dve zaščitni kemikaliji in liofilizirali vzorce v tekočem dušiku. Ni bilo lepo: zaščitna membrana vseh celic se je zlomila, z znaki razbite – a razmeroma nedotaknjene – DNK.

Naprej je ekipa ponovno hidrirala zamrznjeni vzorec po do osmih mesecih skladiščenja. Iz prahu brez življenja so izolirali jedra, semenu podobno strukturo, ki vsebuje DNK, in jo presadili v jajčno celico, ki so ji izsesali genetski material. To je tako, kot bi zamenjali besedilo ene knjige z drugim – popolnoma spremenili njegov biološki pomen.

Zapletlo se je. Te začetne "urejene" jajčne celice se niso mogle razmnoževati, verjetno zaradi DNK in epigenetske poškodbe. Kot rešitev je skupina uporabila celice za oblikovanje več embrionalnih celičnih linij. To so odporni delavci, še posebej učinkoviti pri odpravljanju poškodb DNK.

Ko je ekipa uspela, je nato izsesala njihov genski material in ga vbrizgala v jajca miši s črnim kožuhom. Nastale zarodke so pustili razvijati pri miših z belim kožuhom – nadomestni materi. Vsi nastali mladiči so prevzeli sijoče črno dlako svojih darovalcev DNK s popolnoma normalno težo in plodnostjo.

"Po dozorevanju smo naključno izbrali devet samic in tri samce kloniranih miši za parjenje z običajnimi laboratorijskimi mišmi," je pojasnila ekipa. V približno treh mesecih so vse klonirane mišje samice rodile naslednjo generacijo – s štirimi tačkami, brki in mišjimi navadami. S ponovitvijo poskusa s kožnimi celicami s konice repa je ekipa klonirala še kak ducat miši.

Recept ni šel ravno po načrtih. V enem nenavadnem poskusu je ekipa uporabila celice mišjih samcev za kloniranje naslednje generacije in vsi potomci so postali samice. Ko so kopali globlje, so ugotovili, da se je kromosom Y – ki označuje biološkega moškega – nekako izgubil med procesom, kar je privedlo do popolnoma ženske otok Themyscira. Za avtorje je to zaplet v procesu, ne pa izpuh za praktično uporabo. "Ti rezultati kažejo, da tudi če pride do izgube kromosoma Y, je to tehniko še vedno mogoče uporabiti za razpoložljive genske vire v ekstremnih okoliščinah, kot so skoraj izumrle vrste," so povedali.

Knjižnica za ohranjanje?

Tehnika še zdaleč ni popolna. Je dolgočasen, ima nizke stopnje uspešnosti in še vedno zahteva temperaturo shranjevanja v zamrzovalniku, zaradi katere je nagnjen k okvaram energetskega omrežja.

Za dr. Aleno Pance z Univerze v Hertfordshiru, ki ni bila vključena v študijo, je najpomembnejše vprašanje, kako dolgo je mogoče shraniti genski material. "Najpomembnejše bi bilo pokazati podaljšano, nedoločeno shranjevanje v teh pogojih, da bi ta sistem zagotovil učinkovito dolgoročno ohranjanje vrst in vzorcev," je dejala. je dejal.

Avtorja se strinjata, da je skrivnosti več. Telo morda težje popravlja poškodbe DNK v somatskih celicah v primerjavi s semenčicami, ki črpajo njihovo energijo za razvoj popolnoma delujočega jajčeca. Njihovo Epigenetika– ki uravnava, kako se geni vklapljajo ali izklapljajo – se lahko pokvari tudi zaradi nepopolnega reprogramiranja.

Navsezadnje je to le prvi korak. Somatske celice je lažje ujeti v primerjavi z reproduktivnimi, zlasti pri neplodnih ali mladih živalih. To, da je to lažje in ceneje, je plus. Ekipa si zdaj prizadeva zajeti genetski material iz trupel ali iztrebkov, da bi razširila obseg.

"Pristop, opisan v tem delu, ponuja alternativo sedanjim bančnim metodam in vsekakor bi bila velika prednost omogočanje bolj permisivnih temperatur," je dejal Pance.

Kreditno slike: Wakayama et. al./Nature Communications