Yli 20 vuoden ajan meribiologilla Mary Hagedornilla oli näennäisesti ratkaisematon ongelma. Hän haki tapaa jäädyttää ja sulattaa seeprakalan alkioita.
Tärkeä kokeellisen eläimen, seeprakalan geenit ovat lähellä ihmisten geenejä riittävän tarkkaan, jotta niitä on käytetty tutkimaan sairauksia, kuten lihasdystrofiaa ja melanoomaa. Jos lisäysaineisto voitaisiin helposti jäädyttää ja sulauttaa, näitä tutkimuksia olisi helpompi suorittaa ja toistaa, koska tutkijoiden ei tarvitsisi työskennellä kutevan aikataulun tai taistella geneettisen siirtymisen estämiseksi.
Vaikeudet johtuvat kalojen lisääntymistavasta. Tutkijat ovat onnistuneesti jäädyttäneet - tai kylmäsäilyttäviä - käyttääkseen teknistä termiä -, ja sulanneet useiden eläinten elinkelpoiset siemennesteet ja munat vuosikymmenien ajan. Mutta kalojen munat kehittyvät vanhempien kehon ulkopuolella, mikä asettaa fysiologisia haasteita, joita ei esiinny, kun työskentelet nautojen tai jopa ihmisten solujen kanssa. Muna sisältää ravinteita, joita kehittyvä alkio tarvitsee, ja sillä on myös omat panssarinsa, mikä tarkoittaa, että nämä munat ovat suuria ja usein koteloitu suhteellisen läpäisemättömään kalvoon.
Yksinkertaisesti sanottuna, kalan munat ovat yleensä liian suuria jäätyäkseen tai sulattamaan nopeasti tavallisissa olosuhteissa. Hagedorn - joka työskentelee tutkimusbiologina Smithsonianin kansallisen eläintarhan ja suojelubiologian instituutin lajien selviytymiskeskuksen kanssa - vertaa heitä planeetoihin. Nisäkkäiden munat ovat tyypillisesti enemmän kuin aurinkokuntamme pienemmät jäsenet - sanotaan esimerkiksi elohopeaa. Seeprakalan muna on lähempänä Jupiterin kaltaista jättilöä.
"Jos et jäädydy kudosta kunnolla, siihen muodostuu jääkiteitä ja ne lävistävät solut ja tuhoavat ne", Hagedorn sanoo.
Hän vietti 12 vuotta etsimään kiertotapaa ja lopulta asettua uuteen ratkaisuun, joka sisälsi ”kryosuojaavan aineen” (jäätymisenestoaineen) mikroinjektoinnin muniin, tekniikan avulla, joka antoi aineelle ohittaa suojakalvon. Oikein kalibroituneena solujen myrkytyksen välttämiseksi nämä suoja-aineet voisivat auttaa varmistamaan, että muna lasittuu tasaisesti (muuttuu lasimaiseksi), kun se upotetaan nestemäiseen typpihauteeseen.
"Jos et jäädydy kudosta kunnolla, siihen muodostuu jääkiteitä ja ne lävistävät solut ja tuhoavat ne", Mary Hagedorn kertoo ongelmasta, jonka edessä hän yritti jäädyttää seeprakalan alkioita. (Elämän tietosanakirja / Biokuvat) Vaikka tämä prosessi saattoi tehokkaasti asettaa kalaalkioita keskeytetyn animaation tilaan, niiden uudelleenlämmittäminen edelleen oli ongelma. Kun ne lämpenevät, ihanteellisen lasimaisen tilan ja huoneen lämpötilan välillä on välipiste, jossa jääkiteet voivat alkaa muodostua. Ja nämä kiteet voivat vahingoittaa solumateriaalia, jättäen sen kykenemättömäksi jatkamaan kehitystä.
"Meidän piti sulattaa ne paljon nopeammin", Hagedorn sanoi. ”Käyttämällä työkaluja, jotka meillä oli vuonna 2011. . . Lyön seinään. ”
Hän luopui hetkeksi.
Ja niin asiat olisivat voineet jäädä, elleivät ne ole sattumalta kohtaamisia kylmäsäilytyskonferenssissa joskus vuonna 2013, missä hän kuuli Minnesotan yliopiston konepajateollisuuden professori John Bischofin esityksen.
Kuten Bischof kertoo, hän oli esitellyt asiaankuulumattomasta aiheesta, joka sisälsi rautaoksidinanohiukkasia, joita hänen laboratorionsa on käyttänyt ihmiskudoksen turvallisessa lämmittämisessä elinsiirtoihin. Hänen tutkimuksensa napsautti Hagedornia, mikä sai hänet pohtimaan sen potentiaalia muille kuin nisäkkäille.
”Hän sanoi: Mitä voit tehdä auttaaksesi minua alkioiden kanssa”, Bischof muistelee.
Tämä alkuperäinen kysymys synnytti monimutkaisen, jatkuvan monitieteisen yhteistyön - sellaisen, jossa sekä Hagedorn että Bischof painottivat toisen työn merkitystä.
Heidän tuloksensa, julkaistu tällä viikolla lehdessä ACS Nano, osoittavat, että saattaa olla mahdollista turvallisesti lämmittää pakastettuja kalaalkioita.
Inspiraatio heidän työstään tuli nyt kuolleen tutkijan nimeltä Peter Mazur, joka ajatteli, että saattaa olla mahdollista lämmittää jäädytettyjä alkioita laserilla. (Kyllä, laserit.) Vaikka idea oli mahdollisesti järkevä, se on haastava, Hagedorn kertoi minulle saada laserit siirtämään lämpöä biologiseen materiaaliin. Yhdessä toisen tutkijan, Fritz Kleinhansin kanssa, Mazur kuitenkin huomasi, että voi olla mahdollista tuoda alkioon toinen liuos, joka kerää lämpöä laserista ja siirtää sen biologiseen aineeseen.
Mazurin tapauksessa se tarkoitti hiilimustaa Intian musteen muodossa, aine, joka imee ja välittää lämpöä hyvin - ja sellaisen, jota Kleinhans sanoo, voit ostaa vain Amazon.com -sivustolta. Jos se sijoitettaisiin esimerkiksi jäädytetyn hiiren alkion ympärille, yksi laserpulssi voisi melkein heti saattaa solumateriaalin huoneenlämpötilaan ohittamalla lämpenemisen välivaiheen, missä jääkiteet uhkaavat muodostua. Kleinhans kertoo, että Hagedornin työn aikaisemmassa vaiheessa hän toivoi, että tekniikka voisi toimia myös seeprakalan alkioissa. Valitettavasti ne olivat vielä liian suuria, ja siihen mennessä, kun ulkolämpö oli kulkenut keskustaan, kohtalokkaita jääkiteitä oli jo muodostumassa.
Kuten Hagedorn, Bischof ja heidän yhteistyökumppaninsa kirjoittivat uudessa lehdessä, oli kuitenkin toinen tapa. Intian musteen levittäminen alkion ulkopuolelle ei ehkä ole riittävä, mutta entä jos ne lisäisivät jotakin muuta reagoivaa materiaalia ennen jäädyttämistä? Tätä varten he asettuivat kulta-nanorodille - pienikokoisille molekyylirakenteille, joiden suuruusluokka oli pienempi kuin ihmisen hiukset -, jotka he mikrotuntivat jäätymisenestoaineiden kanssa alkioon ennen säilyttämistä, käyttäen menetelmiä, joita Hagedorn oli kehittänyt vuosia aiemmin.
Kuten tutkijat kirjoittavat paperissaan, ”Nämä nanohiukkaset voivat tuottaa lämpöä tehokkaasti, kun laserin aallonpituus vastaa kullan nanohiukkasten pinnan plasmonresonanssienergiaa.” Se on monimutkainen tapa sanoa, että nanorodit voivat absorboida ja vahvistaa energiaa lyhyestä valonsäteilystä.
Kulla, kuten monilla muilla aineilla, on nanomittakaavassa erilaiset ominaisuudet kuin irtotavarana. Hyvin kalibroitu millisekunnin laserpulssi voi äkillisesti kuumentaa alkion kullan avulla, joka on jakautunut koko siihen, lämmittämällä sitä hämmästyttävällä nopeudella 1, 4 x 10 7 ° C minuutissa, melkein mahdoton havaita lämpötila, jota voidaan hallita nopeissa purskeissa, jotka tutkijat palkkaavat.
"Siinä millisekunnin laserpulssissa siirryt nestemäisestä typestä huoneenlämpötilaan", Bischof sanoo. Merkittävää on, että toisin kuin mikään menetelmä, jota Hagedorn oli aiemmin yrittänyt, tulokset olivat riittävän kuumia - ja riittävän laajalle levinneitä -, jotta koko seeprakalan alkio voidaan lämmittää onnistuneesti kerralla.
Kun tämä este lopulta ylitettiin, kysymyksiä pysyi. Tärkeintä heistä oli, olisiko nämä alkiot edelleen elinkykyisiä. Kuten tutkijat raportissaan kirjoittavat, merkittävä osa oli, vaikkakaan ei kaikkia. Niistä, jotka sulatettiin, 31 prosenttia teki sen vain tunnin lämpenemisen jälkeen, 17 prosenttia ylitti kolmen tunnin merkinnän ja vain 10 prosenttia kehitti edelleen 24 tunnin merkinnän jälkeen.
Vaikka tämä saattaa kuulostaa pieneltä, se on paljon suurempi kuin nolla prosenttimäärä selviytymisasteesta, jonka aikaisemmat menetelmät olivat tuottaneet. Hagedorn toivoo, että tuleva työ kasvattaa näitä lukuja entisestään. Ja hän pysyy myönteisenä jopa 10 prosentin luvun suhteen. "Kala voi tuottaa miljoonia munia, ja jos pakastan onnistuneesti 10 prosenttia niistä, se on todella hyvä määrä", hän sanoo.
Tietysti miljoonien munien kamppailu vaatii, että ne muuttavat prosessia edelleen tehokkuuden parantamiseksi. Tässä vaiheessa suuri osa tästä työstä kuuluu Bischofin ja muiden hänen laboratoriossa olevien hartialle, missä työ on jo käynnissä prosessin ”läpimenon” parantamiseksi muuttamalla se mahdollisesti teollisemmaksi yritykseksi. "Uskon, että tulevina vuosina kehitetään useita mahdollistavia tekniikoita, joita kohti kehitetään", hän kertoi minulle.
Jos tämä työ onnistuu, Hagedorn ajattelee, että sillä voisi olla muita käyttötarkoituksia, jotka ylittävät paljon nöyrän seeprakalan.
"Monet vesiviljelyalan viljelijät haluavat jäädyttää kalat [lisääntymismateriaalit], koska he kutevat vain kerran vuodessa", hän sanoi. ”Sinulla on tämä puomi ja rintakuva näkökulmasta heidän tilansa johtamiseen. Jos voisit ottaa alkioita ulos pakastimesta aikataulunmukaisemmalla tavalla, se tekisi ruoasta halvempaa ja luotettavampaa. "
Sillä voi olla vaikutusta myös villieläinten suojeluun. Hagedorn, joka toimii tänään pääasiassa korallien kanssa, uskoo, että se voisi auttaa meitä korjaamaan vaurioituneet riutat. Hän ehdottaa myös, että se voisi lopulta palauttaa köyhdytetyt sammakonpopulaatiot ja ehkä myös pelastaa muut lajit. Riippumatta siitä, missä työ vie meidät tulevaisuudessa, se on kuitenkin osoitus nykyisen tieteellisen yhteistyön potentiaalista.
”Aluksi se ei tuntunut rehellisesti. On biologista järkeä, että voimme tehdä sen, mutta näytti siltä, että emme koskaan saa kaikkia kappaleita yhteen ”, hän kertoi minulle. ”Jos en olisi istunut Johnin viereen tuossa kokouksessa, emme olisi koskaan tehneet tätä. Ilman yhteisiä ponnistelujamme - tekniikkaa ja biologiaa - tämä ei olisi tapahtunut. "
