Már több mint 20 éve, Mary Hagedorn tengerbiológus szemmel láthatóan megoldatlan problémával szembesült. Keresett egy módot a zebrahal embrióinak fagyasztására és leolvasztására.
Egy fontos kísérleti állat, a zebrafish génje megközelítőleg megközelíti az emberekét, és már felhasználták olyan betegségek, mint például izomdisztrófia és melanóma kivizsgálására. Ha a reproduktív anyag könnyen lefagyasztható és kiolvasztható, akkor ezeket a vizsgálatokat könnyebb elvégezni és megismételni, mivel a kutatóknak nem kellene az ívási ütemterv körül dolgozniuk vagy a genetikai drift elleni küzdelemben.
A baj a halak szaporodásának módjával jár. A tudósok évszázadok óta sikeresen fagyasztják le - vagy fagyasztva tartósítják a műszaki kifejezés használatához -, és sok állat életképes spermáját és petesejtjét leolvasztják. A haltojások azonban a szülő testén kívül fejlődnek ki, ami élettani kihívásokat jelent, amelyek nem merülnek fel, amikor szarvasmarha-sejtekkel vagy akár emberekkel dolgozik. A tojás tartalmazza azokat a tápanyagokat, amelyekre a fejlődő embrió szükség lesz, és saját páncélzattal rendelkezik, vagyis ezek a tojások nagyok és gyakran egy viszonylag át nem eresztő membránba vannak beágyazva.
Egyszerűen fogalmazva: a haltojás általában túl nagy ahhoz, hogy rendes körülmények között gyorsan lefagyjon vagy leolvasson. Hagedorn - aki kutatóbiológusként dolgozik a Smithsonian Nemzeti Állatkertnél és a Védelmi Biológiai Intézet Faj-túlélési Központjánál - összehasonlítja őket bolygókkal. Az emlős tojások általában jobban hasonlítanak a naprendszerünk finomabb tagjaira - mondjuk a higanyra. Egy zebrafish tojás közelebb áll egy olyan óriáshoz, mint a Jupiter.
"Ha nem fagyasztja le megfelelően a szövetet, akkor jégkristályok képződnek benne, és átszúrják a sejteket, és elpusztítják őket" - mondja Hagedorn.
12 évet töltött egy megoldás keresésével, végül egy új megoldás mellett döntött, amely magában foglalta a „krioprotektáns” (alapvetõen fagyálló) tojásokba történõ mikroinjektálását, egy olyan technikával, amely lehetõvé tette az említett szer számára, hogy megkerülje a védõmembránt. Megfelelően kalibrálva a sejtek mérgezésének elkerülése érdekében, ezek a védőszerek biztosíthatják, hogy egy tojás egyenletesen üvegezzen (üvegszerűvé váljon), amikor folyékony nitrogénfürdőbe merítik.
"Ha nem fagyasztja le megfelelően a szövetet, akkor jégkristályok képződnek benne, és átszúrják a sejteket, és megsemmisítik őket" - mondja Mary Hagedorn a problémáról, amellyel szembenézte a zebrafish embriókat. (Az élet enciklopédia / Bioképet) Noha ez a folyamat hatékonyan a hal embriókat felfüggesztett animációs állapotba hozhatja, addig a probléma továbbra is azok melegítése volt. Ahogy melegszik, van egy közbenső pont az ideális üvegszerű állapot és a szobahőmérséklet között, ahol a jégkristályok újra kialakulhatnak. És ezek a kristályok károsíthatják a celluláris anyagot, így képtelenné teszik annak továbbfejlesztését.
"Sokkal gyorsabban kellett kiolvasztanunk őket" - mondta Hagedorn. „Az általunk használt eszközök felhasználásával 2011-ben. . . Üttem egy falat.
Egy darabig feladta.
És így maradhattak a dolgok, ha nem véletlenül találkoztak valamilyen 2013-ban egy hidegkonzervációs konferencián, ahol John Bischof, a Minnesota Egyetem gépészmérnöki professzora előadását hallotta.
Mint Bischof elmondja, egy olyan független témával foglalkozott, amely a vas-oxid nanorészecskékkel foglalkozik, és amelyet laboratóriuma az emberi szövet biztonságos melegítéséhez használt átültetéshez. Kutatása Hagedornra kattintva ösztönözte a nőt arra, hogy gondolkodjon a nem emlősökben történő alkalmazás lehetőségeiről.
"Azt mondta: Mit tehetsz, hogy segítsen nekem az embriókban" - emlékszik vissza Bischof.
Ez a kezdeti kérdés összetett, folyamatos interdiszciplináris együttműködést hozott létre - amelyben Hagedorn és Bischof ragaszkodnak a másik munkájának fontosságához.
Ezzel a héten az ACS Nano folyóiratban közzétett eredményeik azt mutatják, hogy valószínűleg elvégezhető a fagyasztott halembriók biztonságos melegítése.
Az inspiráció munkájukhoz egy most elhunyt Peter Mazur nevű tudós erőfeszítései származtak, akik úgy gondolták, hogy lehetséges lenne melegíteni a fagyasztott embriókat lézerekkel. (Igen, lézerek.) Miközben az ötlet valószínűleg megalapozott, kihívást jelent, mondta Hagedorn, hogy lézereket szerezzenek hőt a biológiai anyaghoz. Egy másik, Fritz Kleinhans nevû kutatóval együtt Mazur rájött, hogy lehetõség van egy másik anyag bevezetésére az oldatba az embrióval, amely felveszi a hõt a lézerbõl és átadja azt a biológiai anyagnak.
Mazur esetében ez azt jelentette, hogy korom indiai tinta formájában jelenik meg - egy anyag, amely jól abszorbeálja és közvetíti a hőt - és ezt Kleinhans szerint egyszerűen megvásárolhatja az Amazon.com webhelyen. Ha például egy fagyasztott egérembrió körül helyeznék el, akkor egyetlen lézeres impulzus szinte azonnal képes a celluláris anyagot szobahőmérsékletre melegedni, megkerülve a felmelegedés közbenső szakaszát, ahol a jégkristályok kialakulásának veszélye áll fenn. Kleinhans elmondja, hogy Hagedorn munkájának korábbi szakaszában azt remélte, hogy a technika zebrafish-embriókra is használható. Sajnos még mindig túl nagyok voltak, és mire a külső hő eljutott a központba, már halálos jégkristályok képződtek.
Amint Hagedorn, Bischof és munkatársaik új cikkben írnak, volt más út is. Lehet, hogy az indiai tinta az embrió külső oldalán történő terjesztése nem volt elegendő, de mi lenne, ha más fajta érzékeny anyagot behelyeznének a fagyasztás előtt? Ehhez arany nanoródokra - kisebb méretű molekuláris szerkezetekre, nagyságrenddel kisebb, mint az emberi hajra - telepedtek le, amelyeket fagyálló folyadékokkal együtt a megőrzés előtt az embrióba mikroinjektáltak, és azokat a módszereket alkalmazták, amelyeket Hagedorn évekkel ezelőtt kidolgozott.
Ahogy a kutatók írták papírjukban: „Ezek a nanorészecskék hatékonyan termelhetnek hőt, ha a lézer hullámhossza megegyezik az arany nanorészecskék felületi plazmon rezonancia energiájával.” Ez egy bonyolult módszer annak kimondására, hogy a nanorodok rövid energián keresztül elnyelik és felerősítik az energiát.
Az arany, mint sok más anyag, más tulajdonságokkal rendelkezik a nanoméretben, mint ömlesztve. Egy jól kalibrált milliszekundumos lézerimpulzus hirtelen felmelegítheti az embriót az egészben elosztott arany révén, és melegítheti azt meghökkentő sebességgel - 1, 4 x 10 7 ° C / perc, ez egy szinte átfoghatatlan hőmérséklet, amely kezelhető a gyors robbantások során. a kutatók alkalmazzák.
"A lézer egy milliszekundumos impulzusában folyékony nitrogénről szobahőmérsékletre megy" - mondja Bischof. Figyelemre méltó, hogy a Hagedorn korábban megkíséreltektől eltérően az eredmények elég melegek voltak - és elég széles körben elterjedtek - ahhoz, hogy egy teljes zebrák-embriót egyszerre sikeresen melegítsenek.
Miután végül átlépte az akadályt, a kérdések maradtak. Kulcsuk volt az, hogy ezek az embriók továbbra is életképesek-e. Ahogy a kutatók beszámoltak a cikkben, jelentős hányada volt, bár nem mindegyik. A leolvasztottak közül 31 százalék csak egy órával a felmelegedés után készítette el, 17 százalékuk átlépte a három órás jelet, és mindössze 10 százalékuk még mindig fejlődött a 24 órás jel után.
Noha ez kicsinek tűnhet, jóval meghaladja a korábbi módszerekkel járó nulla százalékos túlélési arányt. Hagedorn reméli, hogy a jövőbeni munka tovább növeli ezeket a számokat. És még a 10 százalékos értéknél is pozitív marad. "Egy hal millió tojást képes előállítani, és ha ezek 10% -át sikeresen lefagyasztottam, ez nagyon jó szám" - mondja.
Természetesen a millió tojással való küzdelemhez szükség lenne további átalakításra a hatékonyság érdekében. Ezen a ponton ezen munka nagy része Bischof és mások laboratóriumának vállára esik, ahol már folyamatban van a folyamat „áteresztőképességének” javítása, potenciálisan ipari célokra fordítva. "Úgy gondolom, hogy számos olyan technológiát fognak kidolgozni, amelyeket az elkövetkező években fejleszteni fognak" - mondta.
Ha ez a munka sikeres, Hagedorn úgy gondolja, hogy más felhasználások is lehetnek, amelyek messze túlmutatnak az alázatos zebrahalon.
"Sok akvakultúra-gazdálkodó akar fagyasztani a halakat [szaporítóanyagokat], mert csak évente egyszer ívnak." - mondta. „Megvan ez a fellendülés és mellszobor szempont, hogy gazdaságokat működtesse. Ha az embriókat ütemesebb módon veheti ki a fagyasztóból, az olcsóbbá és megbízhatóbbá tenné az ételt. ”
Ez befolyásolhatja a vadon élő állatok védelmét is. Hagedorn, aki manapság elsősorban korallon dolgozik, úgy gondolja, hogy ez segíthet a sérült zátonyok helyrehozásában. Azt is javasolja, hogy ez végül helyrehozza a kimerült békapopulációkat, és más fajokat is megmenthet. Függetlenül attól, hogy a munka hol visz minket a jövőben, igazolja a tudományos együttműködés jelenlegi potenciálját.
„Először őszintén nem éreztem magam valósnak. Biológiai értelme, hogy meg tudjuk csinálni, de úgy tűnt, hogy soha nem fogjuk összehozni az összes darabot ”- mondta nekem. - Ha nem ültem volna John mellé azon a találkozón, ezt soha nem tettük volna meg. Közös erőfeszítéseink - a mérnöki és a biológiai - erőfeszítéseink nélkül ez nem történt volna meg. "
