De mai bine de 20 de ani, biologul marin Mary Hagedorn s-a confruntat cu o problemă aparent intractabilă. Căuta o modalitate de a îngheța și a dezgheța embrionii de pește zebra.
Un animal experimental important, genele de pește zebra le apropie pe cele ale oamenilor suficient de îndeaproape încât au fost folosite pentru a investiga boli precum distrofia musculară și melanomul. Dacă materialul de reproducere ar putea fi înghețat și dezghețat cu ușurință, aceste studii ar fi mai ușor de efectuat și de replicat, deoarece cercetătorii nu ar trebui să lucreze la programele de reproducere sau să lupte împotriva derivării genetice.
Problema vine în modul în care se reproduc peștii. Oamenii de știință au înghețat cu succes - sau crioprezervând, pentru a utiliza termenul tehnic - și au decongelat spermatozoizi viabile și ouă de la multe animale de zeci de ani. Dar ouăle de pește se dezvoltă în afara corpului părintelui, ceea ce prezintă provocări fiziologice care nu apar atunci când lucrezi cu celule de la bovine sau chiar la oameni. Oul conține nutrienții de care va avea nevoie embrionul în curs de dezvoltare și are și propria armură, ceea ce înseamnă că acele ouă sunt mari și adesea înglobate într-o membrană relativ impermeabilă.
Cu alte cuvinte, ouăle de pește tind să fie prea mari pentru a îngheța sau a dezgheța rapid în circumstanțe obișnuite. Hagedorn - care lucrează ca biolog de cercetare la Centrul Național de Zoo și Conservare al Biologiei Smithsonian al Institutului pentru Supraviețuirea Speciilor - le compară cu planetele. Ouăle de mamifere sunt de obicei mai mult ca membrii mai mici ai sistemului nostru solar - să zicem, Mercur. Un ou de pește zebra este mai aproape de un uriaș ca Jupiter.
„Dacă nu înghețați țesutul în mod corespunzător, se vor forma cristale de gheață și vor străpunge celulele și le vor distruge”, spune Hagedorn.
Ea a petrecut 12 ani în căutarea unei soluții de soluție, în cele din urmă stabilindu-se pe o soluție nouă care implica microinjectarea unui „crioprotectant” (un antigel, practic) în ouă, o tehnică care a permis acelui agent să ocolească membrana protectoare. Calibrați corespunzător pentru a evita otrăvirea celulelor, acești protectori ar putea contribui la asigurarea vitrificării uniformă a unui ou (devenind similară sticlei) atunci când a fost scufundat într-o baie de azot lichid.
„Dacă nu înghețați țesutul în mod corespunzător, se vor forma cristale de gheață și vor străpunge celulele și le vor distruge”, spune Mary Hagedorn despre problema cu care s-a confruntat încercând să înghețe embrioni de pește zebra. (Enciclopedia vieții / bioimaje) În timp ce acest proces ar putea pune efectiv embrionii de pește într-o stare de animație suspendată, încălzirea lor din nou a rămas o problemă. Pe măsură ce se încălzesc, există un punct intermediar între starea ideală a sticlei și temperatura camerei în care cristalele de gheață pot începe să se formeze din nou. Și acele cristale pot deteriora materialul celular, lăsându-l incapabil să se dezvolte în continuare.
„Avem nevoie să le dezghețăm mult mai repede”, a spus Hagedorn. „Folosind instrumentele pe care le-am avut în 2011. . . Am lovit un perete.
O vreme a renunțat.
Și așa ar fi putut rămâne lucrurile dacă nu ar fi fost întâlnirea întâmplătoare la o conferință de crioprezervare cândva în 2013, unde a auzit o prezentare a lui John Bischof, profesor de inginerie mecanică la Universitatea din Minnesota.
După cum povestește Bischof, el a prezentat un subiect care nu are legătură cu nanoparticule de oxid de fier, pe care laboratorul său l-a folosit în reînarmarea sigură a țesutului uman pentru transplant. Cercetările sale au făcut clic cu Hagedorn, care a determinat-o să se gândească la potențialul său pentru aplicații non-mamifere.
„Ea a spus: Ce poți face pentru a mă ajuta cu embrionii”, își amintește Bischof.
Această întrebare inițială a dat naștere unei colaborări interdisciplinare complexe, în curs de desfășurare - una în care atât Hagedorn, cât și Bischof insistă asupra importanței lucrării celuilalt.
Rezultatele lor, publicate săptămâna aceasta în jurnalul ACS Nano, indică faptul că ar putea fi posibil să reîncălziți în siguranță embrioni de pește congelați.
Inspirația pentru munca lor a venit din eforturile unui om de știință acum decedat pe nume Peter Mazur, care a crezut că ar putea fi posibil să reîncălzească embrioni congelați cu lasere. (Da, lasere.) În timp ce ideea era potențial sonoră, este dificilă, mi-a spus Hagedorn, să obții lasere pentru a transmite căldură materialului biologic. Împreună cu un alt cercetător numit Fritz Kleinhans, Mazur și-a dat seama că ar putea fi posibilă introducerea unei alte substanțe în soluție cu embrionul, una care ar ridica căldura din laser și o va transfera în materia biologică.
În cazul lui Mazur, asta însemna negru de carbon sub formă de cerneală India, o substanță care absoarbe și transmite bine căldura - și una care, spune Kleinhans, puteți cumpăra pur și simplu pe Amazon.com. Dacă a fost plasat în jurul unui embrion de mouse-ul înghețat, de exemplu, un singur impuls laser ar putea aduce aproape instantaneu materialul celular la temperatura camerei, ocolind faza intermediară de încălzire unde cristalele de gheață amenință să se formeze. Kleinhans spune că în faza anterioară a lucrării lui Hagedorn sperase că tehnica ar putea funcționa și pentru embrioni de pești zebra. Din păcate, erau încă prea mari și, în momentul în care căldura exterioară își făcea drum spre centru, se formau deja cristale fatale de gheață.
În timp ce Hagedorn, Bischof și colaboratorii lor scriu în noua lor lucrare, a existat totuși un alt mod. Răspândirea cernelei India pe partea exterioară a embrionului s-ar putea să nu fi fost suficientă, dar ce se întâmplă dacă ar fi introdus alt material sensibil înainte de îngheț? Pentru aceasta, s-au așezat pe nanorode aurii - structuri moleculare minuscule, ordine de mărime mai mică decât părul uman - pe care le microinjectează împreună cu agenți antigel în embrion înainte de conservare, folosind metodele pe care Hagedorn le-a elaborat cu ani înainte.
După cum scriu cercetătorii în lucrarea lor, „Aceste nanoparticule pot genera eficient căldură atunci când lungimea de undă a laserului se potrivește cu energia de rezonanță a plasmoniei de suprafață a nanoparticulelor de aur.” Acesta este un mod complicat de a spune că nanorodele ar putea absorbi și amplifica energia dintr-un scurt fulger de lumină.
Aurul, la fel ca multe alte substanțe, prezintă proprietăți diferite pe nano-scară decât în vrac. Un impuls laser bine calibrat milisecund poate încălzi brusc un embrion prin intermediul aurului distribuit pe întregul său, reîncălzindu-l la o uluitoare rată de 1, 4 x 10 7 ° C pe minut, o temperatură aproape insondabilă, care poate fi gestionată în explozii rapide care cercetătorii angajează.
"În acel impuls de un milisecund al laserului, treci de la azot lichid la temperatura camerei", spune Bischof. În mod semnificativ, spre deosebire de orice metodă pe care Hagedorn a încercat anterior, rezultatele au fost destul de fierbinți - și suficient de distribuite - pentru a reîncălzi cu succes un întreg embrion de pește zebra simultan.
Cu bariera respectivă, în cele din urmă, au rămas. Un element esențial dintre acești embrioni ar fi viabil. După cum raportează cercetătorii în lucrarea lor, o parte importantă au fost, deși nu toate. Dintre cele pe care le-au decongelat, 31 la sută au făcut-o la doar o oră după încălzire, 17 la sută au trecut marcajul de trei ore și doar 10 la sută s-au dezvoltat încă după nota de 24 de ore.
În timp ce acest lucru poate părea mic, este mult mai mare decât rata de supraviețuire de la zero la sută pe care metodele anterioare le-au obținut. Hagedorn speră că lucrările viitoare vor „spori” aceste numere în continuare. Și ea rămâne pozitivă chiar și cu cifra de 10 la sută. „Un pește poate produce milioane de ouă, iar dacă aș congela cu succes 10% dintre acestea, acesta este un număr foarte bun”, spune ea.
Desigur, recoltarea cu milioane de ouă ar necesita ca acestea să transforme în continuare procesul pentru eficiență. În acest moment, o mare parte din acea muncă se încadrează pe umerii lui Bischof și alții din laboratorul său, unde deja se lucrează pentru îmbunătățirea „capacității” procesului, transformându-l într-un efort mai industrial. „Cred că va fi o serie de tehnologii care să permită dezvoltarea în anii următori”, mi-a spus el.
Dacă această muncă reușește, Hagedorn crede că ar putea avea și alte utilizări care depășesc cu mult umilul pește zebra.
„O mulțime de fermieri de acvacultură vor să înghețe peștele [material reproductiv], pentru că ei se nasc doar o dată pe an”, a spus ea. „Aveți acest aspect de boom și bust la conducerea fermelor lor. Dacă ai putea scoate embrionii din congelator într-un mod mai programat, ar face mâncarea mai ieftină și mai fiabilă. "
Poate avea, de asemenea, un impact asupra conservării vieții sălbatice. Hagedorn, care lucrează în principal la corali astăzi, crede că s-ar putea să ne ajute la repararea recifelor deteriorate. De asemenea, ea sugerează că ar putea restabili în cele din urmă populațiile sărăcite de broaște și poate salva și alte specii. Indiferent de locul în care lucrările ne duc în viitor, totuși, constituie un testament al potențialului colaborării științifice în prezent.
„La început, sincer, nu s-a simțit real. Are sens biologic că am putea face asta, dar parcă nu vom strânge niciodată toate piesele ”, mi-a spus ea. „Dacă nu m-aș fi așezat lângă John la întâlnirea respectivă, nu am fi făcut asta niciodată. Fără eforturile noastre comune - inginerie și biologie - acest lucru nu s-ar fi întâmplat. ”
