Các nhà khoa học nhân bản chuột từ các tế bào da khô đóng băng, mở ra cánh cửa bảo tồn sinh học

Nhìn bề ngoài, Dorami chỉ là một con chuột bình thường. Cô ấy phát triển đến cân nặng khỏe mạnh, có đàn con và chết tự nhiên vào gần sinh nhật thứ hai - khoảng 70 tuổi ở tuổi người và hoàn toàn không có ngoại lệ đối với một con chuột thí nghiệm.

Ngoại trừ một điều: Dorami được nhân bản từ tế bào đông khô. Và không chỉ bất kỳ tế bào nào - cô ấy được nhân bản từ tế bào soma (tế bào tạo nên cơ thể chúng ta) chứ không phải từ tinh trùng hoặc trứng.

Dorami là bước đột phá mới nhất trong nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ nhằm sử dụng nhân bản như một cách để bảo tồn đa dạng sinh học. Chiến thắng của Cừu Dolly đã nói rõ rằng có thể hồi sinh động vật bằng cách sử dụng tế bào sinh sản. Giấc mơ khôi phục các loài động vật đã tuyệt chủng hoặc ngân hàng sinh học hiện tại đã thu hút trí tưởng tượng của các nhà khoa học kể từ đó. Một cách hiệu quả để bảo tồn DNA của loài là lưu trữ tinh trùng trong nitơ lỏng. Ở khoảng -320 độ F, các tế bào có thể bị đông lạnh trong nhiều năm.

Nhưng có một trục trặc. Việc thu thập các tế bào sinh sản từ động vật đang trên bờ vực tuyệt chủng là—nói một cách nhẹ nhàng—cực kỳ khó khăn. Ngược lại, việc gãi một vài tế bào da hoặc cạo một ít lông lại tương đối đơn giản. Những tế bào này chứa DNA hoàn chỉnh của động vật, nhưng chúng rất dễ vỡ.

Nghiên cứu mới, do Tiến sĩ Teruhiko Wakayama tại Đại học Yamanashi ở Nhật Bản dẫn đầu, đã thực hiện bước nhảy vọt từ tinh trùng sang da. Phát triển một công thức kỹ thuật cao có thể khiến bất kỳ đầu bếp sành ăn nào cũng phải tự hào, nhóm nghiên cứu đã nhân bản thành công 75 con chuột khỏe mạnh từ tế bào soma đông khô được thu thập từ cả nam và nữ. Nhiều đứa con, bao gồm cả Dorami, đã có những chú chó con của riêng mình.

Với tỷ lệ thành công nhiều nhất là khoảng 0.2% – và thấp nhất là XNUMX% – thì kỹ thuật này không còn hiệu quả nữa. Nhưng chiến lược này mở ra một con đường hướng tới bức tranh lớn hơn: khả năng lưu trữ và có khả năng hồi sinh các biến thể di truyền của các loài gần tuyệt chủng.

Đến Tiến sĩ Ben Novak, nhà khoa học hàng đầu tại Revive & Restore, nghiên cứu này là một bước tiến đáng hoan nghênh mặc dù nó không hoàn hảo. “Từ quan điểm bảo tồn, việc đổi mới các phương pháp mới để lưu trữ sinh học cho các loại mô có khả năng sinh sản là một nhu cầu lớn…vì vậy thật thú vị khi thấy loại đột phá này,” ông nói. nói.

Sách nấu ăn bảo quản sinh học

Tế bào là những sinh vật khó tính. Hãy tưởng tượng một đốm nước với các nhà máy phân tử nhỏ xíu gắn chặt vào những bức tường giống như quả bóng bay. Việc đóng băng tế bào mà không có biện pháp bảo vệ có thể khiến các thành phần chứa nước tạo thành các tinh thể băng sắc nhọn, làm hỏng các thành phần bên trong của tế bào và làm thủng thành tế bào. Khi được làm nóng trở lại nhiệt độ bình thường, giống như một chiếc gối kim bị rò rỉ, tế bào không có cơ hội sống sót.

Cuối cùng, các nhà khoa học đã tìm ra một công thức thành công để bảo quản tế bào: điều quan trọng là bổ sung chất chống đông hóa học và bảo quản tế bào trong các thùng kim loại nặng chứa nitơ lỏng. Các tế bào được treo trong các lọ nhỏ bên trong các hộp trượt vào một lồng kim loại giống như tháp. Tùy thuộc vào loại tế bào, chúng có thể được bảo tồn trong nhiều năm. Vấn đề? Việc thiết lập tốn kém, khó bảo trì và dễ bị mất điện. Bất kỳ sự gián đoạn nào cũng có thể gây ra sự mất mát nghiêm trọng đối với tất cả các mẫu. Đối với đa dạng sinh học, không phải lúc nào cũng khả thi khi bố trí một thiết lập phức tạp như vậy ở gần động vật.

Phải có một cách tốt hơn.

Nhiều năm trước, Wakayama đã thực hiện một chiến dịch nhằm nâng cao giới hạn của việc lưu trữ tế bào. Ông tập trung vào một phương pháp cụ thể: đông khô. Hầu hết được các du khách ba lô và phi hành gia biết đến như một cách để bảo quản chất dinh dưỡng trong thực phẩm, các tế bào đông khô hóa ra lại tương đối đơn giản. Vào đầu thế kỷ này, Wakayama và nhóm của ông đã cho thấy điều đó là có thể đông khô tinh trùng để sinh sản. Công thức này rất mạnh mẽ giữ tinh trùng sống trong nhiều năm trên Trạm vũ trụ quốc tế, trong khi bị bắn phá với mức độ phóng xạ xung quanh. Nó cũng dẫn tới con cháu sống sau khi bị nhét vào ngăn kéo bàn trong một năm không có kiểm soát khí hậu.

Tế bào soma là một vấn đề khác. Không giống như tinh trùng, các tế bào tạo nên cơ thể chúng ta dễ bị các phân tử nước ôm lấy cấu trúc DNA của chúng ta hơn, với nhân mỏng manh hơn. Khi bị đóng băng, điều đó có nghĩa là các tế bào có thể bị tổn thương nhiều hơn, khiến chúng không thể sử dụng được để nhân bản.

Nhóm nghiên cứu viết: “Cho đến nay, các tế bào duy nhất sinh ra con sau khi đông khô là tinh trùng trưởng thành [tinh trùng]”.

Một công thức mới

Công việc mới đã trở thành điều không thể: liệu chúng ta có thể nhân bản một con vật từ tế bào soma đông khô không?

Trong vòng thí nghiệm đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã phân lập các tế bào từ chuột cái thường hỗ trợ tế bào trứng. Họ ném các tế bào vào hai loại hóa chất bảo vệ và đông khô mẫu trong nitơ lỏng. Nó không đẹp lắm: màng bảo vệ của tất cả các tế bào đều bị vỡ, với dấu hiệu DNA bị vỡ nhưng tương đối nguyên vẹn.

Tiếp tục tiến hành, nhóm nghiên cứu đã bù nước cho mẫu đông lạnh sau tối đa tám tháng bảo quản. Từ loại bột không có sự sống, họ tách nhân, DNA chứa cấu trúc giống như hạt giống, và cấy nó vào một tế bào trứng đã bị hút vật liệu di truyền. Nó giống như việc thay thế nội dung của cuốn sách này bằng cuốn sách khác - thay đổi hoàn toàn ý nghĩa sinh học của nó.

Nó trở nên phức tạp hơn. Những tế bào trứng “được chỉnh sửa” ban đầu này không thể sinh sản, có thể là do tổn thương DNA và biểu sinh. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các tế bào này để tạo thành nhiều dòng tế bào phôi. Đây là những công nhân kiên cường, đặc biệt hiệu quả trong việc sửa chữa những tổn thương DNA.

Sau khi phát triển mạnh, nhóm nghiên cứu hút vật liệu di truyền của chúng ra và tiêm vào trứng của những con chuột có bộ lông đen. Phôi thu được sẽ được để lại để phát triển ở những con chuột có bộ lông màu trắng – chuột mẹ thay thế. Tất cả chuột con thu được đều mang bộ lông đen bóng của người hiến tặng DNA, với trọng lượng và khả năng sinh sản hoàn toàn bình thường.

Nhóm nghiên cứu giải thích: “Sau khi trưởng thành, chúng tôi chọn ngẫu nhiên 9 con chuột nhân bản cái và 3 con chuột đực để giao phối với những con chuột thí nghiệm bình thường”. Trong khoảng ba tháng, tất cả những con chuột cái được nhân bản đều sinh ra thế hệ tiếp theo với bốn bàn chân, râu và các thói quen của chuột còn nguyên vẹn. Lặp lại thí nghiệm với các tế bào da từ chóp đuôi, nhóm nghiên cứu đã nhân bản thêm khoảng chục con chuột nữa.

Công thức không diễn ra chính xác như kế hoạch. Trong một thử nghiệm kỳ lạ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng tế bào từ chuột đực để nhân bản thế hệ tiếp theo và tất cả chuột con đều trở thành chuột cái. Tìm hiểu sâu hơn, họ phát hiện ra rằng bằng cách nào đó nhiễm sắc thể Y – chỉ định giới tính nam về mặt sinh học – đã bị mất trong quá trình này, dẫn đến một giới tính toàn nữ. đảo Themyscira. Đối với các tác giả, đó là một khúc mắc trong quá trình này, nhưng không phải là một bước đột phá khi sử dụng thực tế. Họ cho biết: “Những kết quả này cho thấy rằng ngay cả khi xảy ra hiện tượng mất nhiễm sắc thể Y, kỹ thuật này vẫn có thể được sử dụng đối với các nguồn gen sẵn có trong những trường hợp khắc nghiệt, chẳng hạn như các loài gần như tuyệt chủng”.

Thư viện để bảo tồn?

Kỹ thuật này còn lâu mới hoàn hảo. Nó tẻ nhạt, tỷ lệ thành công thấp và vẫn yêu cầu nhiệt độ bảo quản trong tủ đông khiến nó dễ bị hỏng lưới điện.

Đối với Tiến sĩ Alena Pance tại Đại học Hertfordshire, người không tham gia vào nghiên cứu, câu hỏi quan trọng nhất là vật liệu di truyền có thể được lưu trữ trong bao lâu. Bà nói: “Điều tối quan trọng là phải chứng minh được khả năng lưu trữ kéo dài, vô thời hạn trong những điều kiện này để hệ thống này có thể bảo quản lâu dài hiệu quả các loài và mẫu vật”. nói.

Các tác giả đồng ý rằng có nhiều bí ẩn hơn. Cơ thể có thể gặp khó khăn hơn trong việc sửa chữa tổn thương DNA trong tế bào soma so với tinh trùng, điều này khiến chúng lấy đi năng lượng để phát triển một quả trứng hoạt động đầy đủ. Của họ biểu sinh—điều chỉnh cách bật hoặc tắt gen — cũng có thể bị rối loạn do quá trình tái lập trình chưa hoàn chỉnh.

Cuối cùng, đây chỉ là bước đầu tiên. Tế bào soma dễ thu giữ hơn so với tế bào sinh sản, đặc biệt đối với động vật vô sinh hoặc chưa trưởng thành. Làm nó dễ dàng hơn và rẻ hơn là một lợi thế. Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm cách thu thập vật liệu di truyền từ xác chết hoặc phân để mở rộng phạm vi.

Pance cho biết: “Cách tiếp cận được mô tả trong công trình này cung cấp một giải pháp thay thế cho các phương pháp ngân hàng hiện tại và chắc chắn việc cho phép nhiệt độ cho phép cao hơn sẽ là một lợi thế lớn”.

Ảnh: Wakayama và. al./Truyền thông Thiên nhiên