Več kot 20 let se je morska biologinja Mary Hagedorn soočala z na videz nepremostljivo težavo. Iskala je način, kako zamrzniti in odmrzniti zarodke zebre.
Pomembni eksperimentalni živalski geni zebrafis približno ustrezajo ljudem, da so jih uporabili za raziskovanje bolezni, kot sta mišična distrofija in melanom. Če bi bilo mogoče reproduktivni material zlahka zamrzniti in odmrzniti, bi bilo mogoče te študije lažje izvesti in ponoviti, saj raziskovalcem ne bi bilo treba delati okrožnic in se ne boriti proti genskemu odmiku.
Težava se spušča v način razmnoževanja rib. Znanstveniki že desetletja uspešno zamrznejo ali zamrznejo, če uporabljajo tehnični izraz, in odmrznejo sposobne semenčice in jajčeca. Toda ribje jajčece se razvije zunaj matičnega telesa, kar predstavlja fiziološke izzive, ki se ne pojavijo, ko delate s celicami goveda ali celo človeka. Jajce vsebuje hranljive snovi, ki jih bo razvijal zarodek potreboval in ima tudi svoj oklep, kar pomeni, da so jajca velika in pogosto zajeta v relativno neprepustno membrano.
Preprosto povedano, ribja jajca so ponavadi prevelika, da bi jih v običajnih okoliščinah hitro zamrznila ali odmrznila. Hagedorn - ki deluje kot raziskovalni biolog s Smithsonianovim centrom za preživetje bioloških inštitutov National Institute of Zoo and Conservation Biology - jih primerja s planeti. Jajca sesalcev so po navadi bolj podobna drobnejšim članom našega osončja - recimo Merkuru. Jajce zebrefish je bližje velikanu, kot je Jupiter.
"Če tkiva ne zamrznete pravilno, bodo v njem nastali ledeni kristali, ki bodo prebili celice in jih uničili, " pravi Hagedorn.
V iskanju rešitve je preživela 12 let, na koncu pa se je odločila za novo raztopino, ki je vključevala mikroinjektiranje "krioprotektiva" (antifriza) v jajca, tehnike, ki je temu sredstvu omogočila, da je obšel zaščitno membrano. Pravilno umerjeni, da se prepreči zastrupitev celic, bi lahko ti zaščitni sredstvi zagotovili, da bi jajce enakomerno vitrificiralo (postalo podobno steklu), ko je bilo v kopeli s tekočim dušikom.
"Če tkiva ne zamrznete pravilno, bodo v njem nastali ledeni kristali, ki bodo prebili celice in jih uničili, " pravi Mary Hagedorn o težavi, s katero se je soočila pri zamrznitvi zarodkov zebre. (Enciklopedija življenja / bioimaže) Čeprav bi ta postopek lahko učinkovito postavil ribje zarodke v stanje suspendirane animacije, je njihovo ponovno ogrevanje ostalo težava. Ko se segrejejo, je med idealnim staklom in sobno temperaturo vmesna točka, kjer se lahko začnejo ponovno oblikovati ledeni kristali. Ti kristali lahko poškodujejo celični material in ostanejo nesposobni za nadaljnji razvoj.
"Veliko hitreje smo jih morali odtaljevati, " je dejal Hagedorn. "Z uporabo orodij, ki smo jih imeli v letu 2011 . . Udaril sem se v steno. "
Za nekaj časa je obupala.
In tako bi morda ostale stvari, če ne bi šlo za slučajno srečanje na konferenci o krio konzervaciji nekje leta 2013, kjer je slišala predstavitev Johna Bischofa, profesorja strojništva na Univerzi v Minnesoti.
Kot je povedal Bischof, se je predstavljal na nepovezani temi, ki vključuje nanodelce železovega oksida, ki jih je njegov laboratorij uporabil za varno segrevanje človeškega tkiva za presaditev. Njegova raziskava je kliknila Hagedorn, kar jo je spodbudilo k razmišljanju o njegovem potencialu za uporabo pri sesalcih.
"Rekla je: Kaj lahko storite, da mi pomagate z zarodki, " se spominja Bischof.
To prvotno vprašanje je rodilo zapleteno in trajno interdisciplinarno sodelovanje, pri katerem tako Hagedorn kot Bischof vztrajata pri pomembnosti dela drugega.
Njihovi rezultati, ki so bili ta teden objavljeni v reviji ACS Nano, kažejo, da bi bilo mogoče na koncu varno ponovno segreti zamrznjene ribje zarodke.
Navdih za njihovo delo je prišel iz naporov zdaj že pokojnega znanstvenika po imenu Peter Mazur, ki je menil, da bi bilo mogoče z laserji ponovno segrevati zamrznjene zarodke. (Da, laserji.) Čeprav je bila ideja potencialno zdrava, mi je Hagedorn rekel, da dobim laserje za prenos toplote v biološki material. Skupaj z drugim raziskovalcem, imenovanim Fritz Kleinhans, pa je Mazur ugotovil, da bi bilo mogoče v raztopino z zarodkom vnesti še eno snov, in sicer ta, ki bi lasersko odvzel toploto in jo prenesel v biološko snov.
V primeru Mazurja je to pomenilo saje v obliki črnila Indije, snovi, ki dobro absorbira in oddaja toploto - in tisto, ki jo, kot pravi Kleinhans, preprosto kupite na Amazon.com. Če bi ga na primer postavili okoli zamrznjenega mišjega zarodka, bi lahko en sam laserski impulz skoraj takoj pripeljal celični material na sobno temperaturo, tako da bi obšel vmesno fazo segrevanja, kjer ledeni kristali grozijo. Kleinhans pravi, da je v prejšnji fazi Hagedornovega dela upala, da bo tehnika lahko delovala tudi za zarodke zebre. Žal, bili so še vedno preveliki, in ko se je zunanja vročina prebila v središče, so se že oblikovali usodni ledeni kristali.
Kakor piše Hagedorn, Bischof in njihovi sodelavci v svojem novem prispevku, je obstajal drug način. Širjenje indijskega črnila na zunanjo stran zarodka morda ni dovolj, toda kaj, če bi vanj vstavili še kakšen odziven material pred zamrzovanjem? Da bi to naredili, so se naselili na zlatih nanorodih - manjših molekularnih strukturah, velikosti manjših od človeških dlak -, ki jih pred konzerviranjem mikroelektrizirajo skupaj s sredstvi proti zmrzovanju v zarodek, pri čemer so uporabili metode, ki jih je Hagedorn razvil že pred leti.
Kot pišejo raziskovalci v svojem prispevku, "Ti nanodelci lahko učinkovito proizvajajo toploto, kadar se laserska valovna dolžina ujema z površinsko plazmonsko resonančno energijo nanega delca." To je zapleten način, ki pravi, da lahko nanorodji absorbirajo in povečajo energijo s kratkim utripom svetlobe.
Zlato, tako kot številne druge snovi, ima nanostno lestvico drugačne lastnosti kot v razsutem stanju. Dobro umerjen milisekundni laserski impulz lahko nenadoma segreje zarodek s pomočjo zlata, porazdeljenega po njem, in ga ponovno segreva z neverjetno hitrostjo 1, 4 x 10 7 ° C na minuto, kar je skoraj neprimerljiva temperatura, ki jo je mogoče obvladati v hitrih porušitvah, raziskovalci zaposlujejo.
"V enem milisekundnem laserju prehajate od tekočega dušika do sobne temperature, " pravi Bischof. Za razliko od vsake metode, ki jo je Hagedorn poskušal že prej, so bili rezultati dovolj vroči - in dovolj široko razporejeni -, da lahko hkrati ponovno segrejejo celoten zarodek zebre.
Ko se je ovira končno prestopila, so ostala vprašanja. Ključno med njimi je bilo, ali bodo ti zarodki še vedno sposobni preživeti. Kot poročajo raziskovalci v svojem prispevku, je bil pomemben delež, čeprav ne vsi. Od tistih, ki so jih odmrznili, jih je 31 odstotkov uspelo le uro po segrevanju, 17 odstotkov jih je prešlo tri urno oznako, slabih 10 odstotkov pa se jih je še vedno razvijalo po 24-urni oznaki.
Čeprav se to morda sliši majhno, je veliko večje od ničelnega odstotka preživetja, ki so ga dosegle prejšnje metode. Hagedorn upa, da bo prihodnje delo še povečalo te številke. In ostaja pozitivna glede celo 10-odstotne številke. "Riba lahko proizvede milijone jajc, in če bi uspešno zamrznila 10 odstotkov teh, je to resnično dobro število, " pravi.
Seveda bi se za spopadanje z milijoni jajc zahtevalo, da postopek še spremenijo za učinkovitost. V tem trenutku velik del tega dela pade na pleča Bischofa in drugih v njegovem laboratoriju, kjer že potekajo prizadevanja za izboljšanje "pretoka" procesa, kar bi ga lahko pretvorilo v bolj industrijsko prizadevanje. "Mislim, da bo treba v prihodnjih letih razviti številne omogočitvene tehnologije, " mi je dejal.
Če to delo uspe, Hagedorn meni, da bi lahko uporabili tudi druge namene, ki presegajo skromne zebre.
"Številni kmetje iz ribogojstva želijo zamrzniti ribe [reprodukcijski material], ker se drstijo le enkrat na leto, " je dejala. "Imate takšen razcvet in vodenje njihovih kmetij. Če bi lahko zarodke vzeli iz zamrzovalnika na bolj načrtovan način, bi hrana postala cenejša in zanesljivejša. "
Lahko vpliva tudi na ohranjanje prostoživečih živali. Hagedorn, ki danes dela predvsem na koralah, meni, da bi nam lahko pomagal popraviti poškodovane grebene. Prav tako predlaga, da bi lahko končno obnovili populacijo izčrpanih žab in morda rešili tudi druge vrste. Ne glede na to, kam nas bo delo odneslo v prihodnosti, pa to danes kaže na potencial znanstvenega sodelovanja.
"Sprva se iskreno ni zdelo resnično. Sama ima biološki smisel, da bi to lahko storili, a zdelo se je, kot da nikoli ne bomo zbrali vseh kosov, «mi je povedala. "Če ne bi sedel poleg Johna na tem srečanju, tega nikoli ne bi storili. Brez naših skupnih prizadevanj - inženiringa in biologije - se to ne bi zgodilo. "
