Forskare klonade möss från frystorkade hudceller, vilket öppnade dörren till biokonservering

På ytan var Dorami bara en genomsnittlig mus. Hon växte till en hälsosam vikt, fick sina egna valpar och dog naturligt nära sin andra födelsedag - ungefär 70 år i mänsklig ålder och helt ovanligt för en labbmus.

Förutom en sak: Dorami klonades från frystorkade celler. Och inte vilken cell som helst – hon klonades från somatiska celler (cellerna som utgör våra kroppar) snarare än spermier eller ägg.

Dorami är det senaste försöket i en decennier lång strävan att använda kloning som ett sätt att bevara den biologiska mångfalden. Triumfen av Dolly fåren gjorde det klart att det är möjligt att återuppliva djur med hjälp av reproduktionsceller. Drömmen om att återställa utdöda djur, eller biobanker nuvarande, har fångat forskarnas fantasi sedan dess. Ett kraftfullt sätt att bevara en arts DNA är att lagra spermier i flytande kväve. Vid ungefär -320 grader Fahrenheit kan cellerna frysas i tid i flera år.

Men det finns en hicka. Att samla in reproduktionsceller från djur på randen av utrotning är – milt uttryckt – extremt svårt. Däremot är det relativt enkelt att skrapa bort några hudceller eller raka lite päls. Dessa celler innehåller djurets fullständiga DNA, men de är ömtåliga.

Den nya studien, ledd av Dr. Teruhiko Wakayama vid University of Yamanashi i Japan, gjorde språnget från spermier till hud. Teamet utvecklade ett mycket tekniskt recept som skulle göra alla gourmetkockar stolta och klonade framgångsrikt 75 friska möss från frystorkade somatiska celler insamlade från både manliga och kvinnliga donatorer. Många avkommor, inklusive Dorami, fick sina egna valpar.

Med en framgång på ungefär fem procent som mest – och så låg som 0.2 procent – ​​är tekniken långt ifrån effektiv. Men strategin banar vägen mot den större bilden: vår förmåga att lagra och potentiellt återuppliva genetiska variationer av nästan utdöda arter.

Till Dr Ben Novak, ledande forskare vid Revive & Restore, är studien ett välkommet framsteg trots dess brister. "Från en bevarandesynpunkt är det ett stort behov att förnya nya sätt att biobankera reproduktivt livskraftiga vävnadstyper ... så det är verkligen spännande att se den här typen av genombrott," han sade.

Kokboken för biokonservering

Celler är petiga varelser. Föreställ dig en vattnig klump med små molekylära fabriker bundna till dess ballongliknande väggar. Frysning av en cell utan skydd kan göra att de vattniga komponenterna bildar vassa iskristaller, som skadar cellens inre komponenter och punkterar cellväggen. När den värms upp igen till normala temperaturer, som en läckande nålkudde, har cellen inte en chans att överleva.

Forskare kom så småningom på ett vinnande recept för att bevara celler: nyckeln är att lägga till ett kemiskt frostskyddsmedel och lagra cellerna i tungmetalltankar med flytande kväve. Cellerna är upphängda i små flaskor inuti lådor som glider in i en tornliknande metallbur. Beroende på celltyp kan de bevaras i åratal. Problemet? Installationen är dyr, svår att underhålla och benägen för strömavbrott. Eventuella störningar kan orsaka katastrofala förluster i alla prover. För biologisk mångfald är det inte alltid möjligt att ha en så sofistikerad installation nära djuret.

Det måste finnas ett bättre sätt.

För många år sedan gick Wakayama på ett korståg för att tänja på gränserna för celllagring. Han fokuserade på en specifik metod: frystorkning. Frystorkningsceller, som mestadels är kända för backpackers och astronauter som ett sätt att bevara näringsämnen i mat, visade sig vara relativt enkelt. Vid sekelskiftet Wakayama och hans team visade att det är möjligt att frystorka spermier för reproduktion. Receptet var så robust det höll spermier vid liv i flera år ombord på den internationella rymdstationen, samtidigt som de bombarderades med omgivande strålningsnivåer. Det ledde också till levande avkomma efter att ha kastats i en skrivbordslåda i ett år utan klimatkontroll.

Somatiska celler är en annan sak. Till skillnad från spermier är cellerna som utgör våra kroppar mycket mer benägna att vattenmolekyler kramar om vår DNA-struktur, med en ömtåligare kärna. När de är frysta betyder det att cellerna kan uppleva mycket mer skada, vilket gör dem oanvändbara för kloning.

"Till dags dato är de enda cellerna som har producerat avkomma efter frystorkning mogna spermier [spermier]," skrev teamet.

Ett nytt recept

Det nya arbetet gick för det omöjliga: kan vi klona ett djur från frystorkade somatiska celler?

I den första omgången av experiment isolerade teamet celler från honmöss som vanligtvis stöder äggcellen. De slängde cellerna i två skyddskemikalier och frystorkade proverna i flytande kväve. Det var inte vackert: det skyddande membranet i alla celler gick sönder, med tecken på krossat - men relativt intakt - DNA.

Teamet plöjde framåt och rehydrerade sedan det frusna provet efter upp till åtta månaders lagring. Från det livlösa pulvret isolerade de kärnorna, den fröliknande strukturen som innehöll DNA, och transplanterade det in i en äggcell som fick sitt genetiska material utsuget. Det är som att ersätta texten i en bok med en annan – att helt ändra dess biologiska innebörd.

Det blev mer komplicerat. Dessa initiala "redigerade" äggceller kunde inte föröka sig, troligtvis på grund av DNA och epigenetisk skada. Som en lösning använde teamet cellerna för att bilda flera embryonala cellinjer. Dessa är motståndskraftiga arbetare, särskilt effektiva på att korrigera DNA-skador.

När teamet väl blomstrade sög de sedan ut sitt genetiska material och injicerade det i ägg från möss med svart päls. De resulterande embryona lämnades att utvecklas i möss med vit päls - surrogatmodern. Alla valpar tog på sig den blanka svarta pälsen från sina DNA-givare, med helt normala vikter och fertilitet.

"Efter mognad valde vi slumpmässigt nio kvinnliga och tre klonade hanmöss för parning med normala labbmöss," förklarade teamet. På ungefär tre månader födde alla de klonade honmössen nästa generation – med fyra tassar, morrhår och musvanor intakta. Genom att upprepa experimentet med hudceller från svansspetsen klonade teamet ytterligare ett dussin möss.

Receptet blev inte riktigt som planerat. I ett konstigt försök använde teamet celler från hanmöss för att klona nästa generation, och alla avkommor blev honor. När de grävde djupare upptäckte de att Y-kromosomen - som betecknar en biologisk hane - på något sätt gick vilse under processen, vilket ledde till en helt hona ön Themyscira. För författarna är det en kink i processen, men inte en utblåsning för praktiskt bruk. "Dessa resultat tyder på att även om Y-kromosomförlust inträffar, kan denna teknik fortfarande användas till de tillgängliga genetiska resurserna under extrema omständigheter, som nästan utdöda arter," sa de.

Ett bibliotek för bevarande?

Tekniken är långt ifrån perfekt. Det är tråkigt, har låga framgångsgrader och kräver fortfarande fryslagringstemperaturer som gör det benäget att misslyckas med energinätet.

För Dr Alena Pance vid University of Hertfordshire, som inte var inblandad i studien, är den viktigaste frågan hur länge det genetiska materialet kan lagras. "Det skulle vara ytterst viktigt att visa förlängd, obestämd lagring under dessa förhållanden för att detta system ska ge ett effektivt långsiktigt bevarande av arter och prover," hon sade.

Författarna är överens om att det finns fler mysterier. Kroppen kan ha svårare att reparera DNA-skador i somatiska celler jämfört med spermier, som drar bort deras energi från att utveckla ett fullt fungerande ägg. Deras epigenetik– som reglerar hur gener slås på eller av – kan också bli trassligt på grund av ofullständig omprogrammering.

I slutändan är detta bara det första steget. Somatiska celler är lättare att fånga jämfört med reproduktionsceller, särskilt för infertila eller unga djur. Att göra det enklare och billigare är ett plus. Teamet försöker nu fånga genetiskt material från kadaver eller avföring för att bredda omfattningen.

"Det tillvägagångssätt som beskrivs i detta arbete erbjuder ett alternativ till nuvarande bankmetoder och att tillåta mer tillåtande temperaturer skulle definitivt vara en stor fördel", säger Pance.

Image Credit: Wakayama et. al./Nature Communications