นักวิทยาศาสตร์โคลนหนูจากเซลล์ผิวหนังที่แห้งแล้วเปิดประตูสู่การอนุรักษ์ทางชีวภาพ

บนพื้นผิว Dorami เป็นเพียงหนูธรรมดา เธอเติบโตขึ้นมาในน้ำหนักที่แข็งแรง มีลูกเป็นของตัวเอง และเสียชีวิตโดยธรรมชาติเมื่อใกล้ถึงวันเกิดครบรอบ 70 ขวบของเธอ ซึ่งมีอายุประมาณ XNUMX ปีในวัยมนุษย์ และถือว่าไม่มีข้อยกเว้นสำหรับหนูทดลอง

ยกเว้นสิ่งหนึ่ง: โดรามีถูกโคลนจากเซลล์แห้งเยือกแข็ง และไม่ใช่แค่เซลล์ใด ๆ เธอถูกโคลนจากเซลล์โซมาติก (เซลล์ที่ประกอบเป็นร่างกายของเรา) แทนที่จะเป็นสเปิร์มหรือไข่

Dorami เป็นการจู่โจมครั้งล่าสุดในการผลักดันการใช้โคลนเพื่อรักษาความหลากหลายทางชีวภาพมานานหลายทศวรรษ ชัยชนะของ แกะดอลลี่ ทำให้ชัดเจนว่าสามารถชุบชีวิตสัตว์โดยใช้เซลล์สืบพันธุ์ได้ ความฝันในการฟื้นฟูสัตว์ที่สูญพันธุ์หรือสัตว์ในปัจจุบันที่สูญพันธุ์ไปแล้วได้จับจินตนาการของนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา วิธีที่มีประสิทธิภาพวิธีหนึ่งในการรักษา DNA ของสปีชีส์คือการเก็บสเปิร์มไว้ในไนโตรเจนเหลว ที่อุณหภูมิประมาณ -320 องศาฟาเรนไฮต์ เซลล์สามารถถูกแช่แข็งได้ในเวลาหลายปี

แต่มีข้อแม้อย่างหนึ่ง การรวบรวมเซลล์สืบพันธุ์จากสัตว์ที่ใกล้จะสูญพันธ์—พูดง่ายๆ—ยากมาก ในทางตรงกันข้าม การขูดเซลล์ผิวบางส่วนหรือโกนขนบางส่วนนั้นค่อนข้างง่าย เซลล์เหล่านี้มี DNA ที่สมบูรณ์ของสัตว์ แต่มีความเปราะบาง

การศึกษาใหม่นำโดย ดร.เทรุฮิโกะ วาคายามะ จากมหาวิทยาลัยยามานาชิในประเทศญี่ปุ่น ก้าวกระโดดจากอสุจิสู่ผิวหนัง การพัฒนาสูตรทางเทคนิคขั้นสูงที่จะทำให้เชฟผู้รับประทานอาหารรสเลิศภูมิใจ ทีมงานประสบความสำเร็จในการโคลนหนูที่มีสุขภาพดี 75 ตัวจากเซลล์โซมาติกแห้งที่เก็บรวบรวมจากผู้บริจาคทั้งชายและหญิง ลูกหลานหลายคนรวมถึงโดรามีก็มีลูกเป็นของตัวเอง

ด้วยอัตราความสำเร็จสูงสุดประมาณร้อยละห้า—และต่ำเพียง 0.2 เปอร์เซ็นต์—เทคนิคนี้ก็ยังห่างไกลจากประสิทธิภาพ แต่กลยุทธ์นี้เป็นเส้นทางสู่ภาพรวม: ความสามารถของเราในการจัดเก็บและฟื้นฟูการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมของสายพันธุ์ที่ใกล้สูญพันธุ์

ไปยัง ดร.เบน โนวัคนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำของ Revive & Restore การศึกษานี้ถือเป็นความก้าวหน้าที่น่ายินดีแม้จะมีความไม่สมบูรณ์ก็ตาม “จากมุมมองด้านการอนุรักษ์ การคิดค้นวิธีการใหม่ๆ ให้กับเนื้อเยื่อชีวภาพที่สามารถสืบพันธุ์ได้นั้นเป็นความต้องการที่ยิ่งใหญ่…ดังนั้นจึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นการพัฒนาแบบนี้” เขา กล่าวว่า.

ตำราการอนุรักษ์ชีวภาพ

เซลล์เป็นสิ่งมีชีวิตที่จู้จี้จุกจิก ลองนึกภาพหยดน้ำที่มีโรงงานโมเลกุลเล็กๆ ผูกติดกับผนังคล้ายลูกโป่ง การแช่แข็งเซลล์โดยไม่มีการป้องกันอาจทำให้ส่วนประกอบที่เป็นน้ำก่อตัวเป็นผลึกน้ำแข็งที่แหลมคม ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับส่วนประกอบภายในของเซลล์และเจาะผนังเซลล์ เมื่อถูกความร้อนกลับคืนสู่อุณหภูมิปกติ เช่น หมอนอิงที่รั่ว เซลล์จะไม่มีโอกาสรอดชีวิต

ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็ค้นพบสูตรสำเร็จในการรักษาเซลล์: กุญแจสำคัญคือการเติมสารป้องกันการแข็งตัวของสารเคมีและเก็บเซลล์ไว้ในถังโลหะหนักที่มีไนโตรเจนเหลว เซลล์ถูกแขวนไว้ในขวดเล็ก ๆ ในกล่องที่เลื่อนเข้าไปในกรงโลหะคล้ายหอคอย สามารถเก็บรักษาไว้ได้นานหลายปีทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทเซลล์ ปัญหา? การตั้งค่ามีราคาแพง บำรุงรักษายาก และมีแนวโน้มที่จะเกิดไฟฟ้าขัดข้อง การหยุดชะงักใดๆ อาจทำให้เกิดความสูญเสียครั้งใหญ่ในตัวอย่างทั้งหมด สำหรับความหลากหลายทางชีวภาพ เป็นไปไม่ได้เสมอไปที่จะมีการตั้งค่าที่ซับซ้อนเช่นนี้อยู่ใกล้สัตว์

ต้องมีวิธีที่ดีกว่านี้

หลายปีก่อน วาคายามะได้ทำสงครามครูเสดเพื่อผลักดันขีดจำกัดของการจัดเก็บเซลล์ เขาเน้นไปที่วิธีการเฉพาะอย่างหนึ่ง: การทำแห้งเยือกแข็ง ส่วนใหญ่รู้จักกันในหมู่แบ็คแพ็คเกอร์และนักบินอวกาศในฐานะวิธีการรักษาสารอาหารในอาหาร เซลล์ที่ทำแห้งเยือกแข็งนั้นค่อนข้างง่าย ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ วาคายามะและทีมงานของเขา แสดงว่าเป็นไปได้ เพื่อสเปิร์มแห้งเพื่อการสืบพันธุ์ สูตรแน่นมาก ทำให้สเปิร์มมีชีวิตอยู่ เป็นเวลาหลายปีบนสถานีอวกาศนานาชาติในขณะที่ถูกทิ้งระเบิดด้วยระดับรังสีโดยรอบ นอกจากนี้ยังนำไปสู่ ลูกหลานสด หลังจากถูกโยนเข้าลิ้นชักโต๊ะ เป็นเวลาหนึ่งปี โดยไม่ต้องควบคุมอุณหภูมิ

เซลล์โซมาติกเป็นเรื่องที่แตกต่างกัน เซลล์ที่ประกอบกันเป็นร่างของเรานั้นต่างจากสเปิร์มมากกว่ามากที่โมเลกุลของน้ำจะโอบกอดโครงสร้างดีเอ็นเอของเราด้วยนิวเคลียสที่เปราะบางกว่า เมื่อถูกแช่แข็ง หมายความว่าเซลล์สามารถได้รับความเสียหายมากขึ้น ทำให้ไม่สามารถทำการโคลนได้

“จนถึงปัจจุบัน เซลล์เดียวที่ให้กำเนิดลูกหลังจากการทำให้แห้งแบบเยือกแข็งคือสเปิร์มที่โตเต็มที่ [อสุจิ]” ทีมงานเขียน

สูตรใหม่

งานใหม่ดำเนินไปเพื่อสิ่งที่เป็นไปไม่ได้: เราสามารถโคลนสัตว์จากเซลล์โซมาติกแห้งเยือกแข็งได้หรือไม่?

ในการทดลองรอบแรก ทีมวิจัยได้แยกเซลล์จากหนูเพศเมียที่มักจะสนับสนุนเซลล์ไข่ พวกเขาโยนเซลล์ในสารเคมีป้องกันสองชนิดและแช่เยือกแข็งตัวอย่างในไนโตรเจนเหลว มันไม่สวยเลย: เยื่อหุ้มป้องกันของเซลล์ทั้งหมดแตกออก โดยมีสัญญาณของ DNA ที่แตกแต่ค่อนข้างไม่บุบสลาย

ในการไถไปข้างหน้า ทีมงานจึงทำการเติมน้ำให้กับตัวอย่างแช่แข็งหลังจากเก็บรักษาได้นานถึงแปดเดือน จากผงไร้ชีวิต พวกมันแยกนิวเคลียส โครงสร้างคล้ายเมล็ดซึ่งมี DNA และปลูกถ่ายลงในเซลล์ไข่ที่ถูกดูดสารพันธุกรรมออกมา เหมือนกับการแทนที่ข้อความในหนังสือเล่มหนึ่งด้วยอีกเล่มหนึ่ง ซึ่งเปลี่ยนความหมายทางชีววิทยาโดยสิ้นเชิง

มันซับซ้อนขึ้น เซลล์ไข่ที่ "แก้ไข" เริ่มต้นเหล่านี้ไม่สามารถสืบพันธุ์ได้ น่าจะเป็นเพราะ DNA และความเสียหายของอีพีเจเนติก เพื่อเป็นการแก้ปัญหาชั่วคราว ทีมงานใช้เซลล์เพื่อสร้างเซลล์ของตัวอ่อนหลายสาย สิ่งเหล่านี้เป็นแรงงานที่ยืดหยุ่น โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประสิทธิภาพในการแก้ไขความเสียหายของ DNA

เมื่อเจริญรุ่งเรือง ทีมงานจึงดูดเอาสารพันธุกรรมของพวกมันออกมาแล้วฉีดเข้าไปในไข่จากหนูที่มีขนสีดำ ตัวอ่อนที่เป็นผลลัพธ์ถูกทิ้งให้พัฒนาในหนูที่มีขนสีขาว นั่นคือแม่ที่เป็นตัวแทน ลูกสุนัขที่ได้รับทั้งหมดได้รับขนสีดำมันวาวของผู้บริจาค DNA โดยมีน้ำหนักและภาวะเจริญพันธุ์ปกติอย่างสมบูรณ์

"หลังจากการเจริญเติบโต เราสุ่มเลือกหนูโคลนเพศเมีย XNUMX ตัวและตัวผู้ XNUMX ตัวเพื่อผสมพันธุ์กับหนูทดลองทั่วไป" ทีมวิจัยอธิบาย ในเวลาประมาณสามเดือน หนูเพศเมียที่โคลนทั้งหมดได้ให้กำเนิดลูกรุ่นต่อไป โดยมีสี่อุ้งเท้า หนวด และนิสัยของหนูที่ไม่เสียหาย ทำซ้ำการทดลองกับเซลล์ผิวหนังจากปลายหาง ทีมงานได้โคลนหนูอีกสิบกว่าตัว

สูตรไม่เป็นไปตามแผนที่วางไว้ ในการทดลองที่แปลกประหลาดครั้งหนึ่ง ทีมวิจัยได้ใช้เซลล์จากหนูตัวผู้เพื่อโคลนรุ่นต่อไป และลูกหลานทั้งหมดกลายเป็นตัวเมีย เมื่อขุดลึกลงไปพบว่าโครโมโซม Y ซึ่งระบุตัวผู้ทางชีววิทยาได้สูญหายไปในระหว่างกระบวนการซึ่งนำไปสู่เพศหญิงทั้งหมด เกาะ Themyscira. สำหรับผู้แต่ง กระบวนการนี้เป็นเพียงจุดบอด แต่ไม่ใช่การระเบิดเพื่อการใช้งานจริง "ผลการวิจัยเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าแม้ว่าการสูญเสียโครโมโซม Y จะเกิดขึ้น แต่เทคนิคนี้ยังคงสามารถนำมาใช้กับทรัพยากรทางพันธุกรรมที่มีอยู่ได้ในสถานการณ์ที่รุนแรงเช่นสายพันธุ์ที่เกือบจะสูญพันธุ์" พวกเขากล่าว

ห้องสมุดเพื่อการอนุรักษ์?

เทคนิคนี้ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์แบบ เป็นเรื่องที่น่าเบื่อ มีอัตราความสำเร็จต่ำ และยังต้องการอุณหภูมิในการจัดเก็บในช่องแช่แข็ง ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดความล้มเหลวของกริดพลังงาน

ถึง Dr. Alena Pance แห่งมหาวิทยาลัย Hertfordshire ผู้ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาวิจัยนี้ คำถามที่สำคัญที่สุดคือสามารถเก็บสารพันธุกรรมได้นานแค่ไหน “การแสดงการเก็บรักษาแบบขยายและไม่แน่นอนในเงื่อนไขเหล่านี้สำหรับระบบนี้ ถือเป็นเรื่องสำคัญยิ่ง เพื่อให้สามารถรักษาสายพันธุ์และตัวอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะยาว” เธอ กล่าวว่า.

ผู้เขียนยอมรับว่ามีความลึกลับมากขึ้น ร่างกายอาจซ่อมแซมความเสียหายของดีเอ็นเอในเซลล์ร่างกายได้ยากกว่าเมื่อเทียบกับสเปิร์ม ซึ่งดึงพลังงานของพวกมันออกจากการพัฒนาไข่ที่ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ของพวกเขา epigeneticsซึ่งควบคุมว่ายีนเปิดหรือปิดอย่างไร อาจทำให้สับสนได้เนื่องจากการตั้งโปรแกรมใหม่ไม่สมบูรณ์

สุดท้ายนี้เป็นเพียงขั้นตอนแรก เซลล์โซมาติกจับได้ง่ายกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์สืบพันธุ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสัตว์ที่มีบุตรยากหรือสัตว์อายุน้อย ทำได้ง่ายกว่าและถูกกว่าเป็นข้อดี ทีมงานกำลังมองหาการดักจับสารพันธุกรรมจากซากศพหรืออุจจาระเพื่อขยายขอบเขต

“แนวทางที่อธิบายไว้ในงานนี้เสนอทางเลือกแทนวิธีการธนาคารในปัจจุบัน และแน่นอนว่าการปล่อยให้อุณหภูมิที่เอื้ออำนวยมากขึ้นจะเป็นข้อได้เปรียบที่ดี” แพนซ์กล่าว

เครดิตภาพ: วาคายามะ เป็นต้น al./Nature Communications