Juba enam kui 20 aastat seisis merebioloog Mary Hagedorn silmitsi keeruka probleemiga. Ta otsis võimalust sebrakalade embrüote külmutamiseks ja sulatamiseks.
Oluline katselooma, sebrakala geenid lähenevad inimeste geenidele piisavalt täpselt, et neid on kasutatud selliste haiguste nagu lihasdüstroofia ja melanoomi uurimiseks. Kui paljundusmaterjali saaks hõlpsalt külmutada ja sulatada, oleks neid uuringuid lihtsam läbi viia ja korrata, kuna teadlased ei peaks kudemisajakavade ümber töötama ega geneetilise triivi vastu võitlema.
Probleem taandub kalade paljunemisviisil. Teadlased on tehnilise termini kasutamiseks edukalt külmutanud või külmsäilitanud ning suladanud paljude loomade elujõulisi sperma ja mune aastakümneid. Kuid kalade munad arenevad väljapoole vanema keha, mis kujutab endast füsioloogilisi probleeme, mis ei tule ette veiste või isegi inimeste rakkudega töötamisel. Muna sisaldab toitaineid, mida arenev embrüo vajab, ja sellel on ka oma soomus, mis tähendab, et need munad on suured ja sageli ümbritsetud suhteliselt mitteläbilaskva membraaniga.
Lihtsustatult öeldes on kalamunad tavaliselt liiga suured, et tavaolukorras kiiresti külmuda või sulada. Hagedorn - kes töötab Smithsoniani riikliku loomaaia ja looduskaitsebioloogia instituudi liikide ellujäämise keskuses teadusbioloogina - võrdleb neid planeetidega. Imetajate munad sarnanevad tavaliselt meie päikesesüsteemi väiksemate liikmetega - ütleme näiteks elavhõbedaga. Sebrakala muna on lähemal hiiglasele nagu Jupiter.
"Kui te kude korralikult ei külmuta, moodustuvad selles jääkristallid, mis augustavad rakke ja hävitavad need, " räägib Hagedorn.
Ta veetis 12 aastat lahenduse leidmiseks, otsustades lõpuks uudse lahenduse järele, mis hõlmas munadesse mikrokülma (põhiliselt antifriisi) süstimist - meetodit, mis võimaldas sellel agensil kaitsemembraanist mööda minna. Rakkude mürgituse vältimiseks õigesti kalibreeritud kaitseained võivad aidata tagada muna ühtlast klaasistumist (muutuvad klaasjaks), kui see sukeldatakse vedelasse lämmastikuvanni.
"Kui te kude korralikult ei külmuta, moodustuvad sellesse jääkristallid ja nad läbistavad rakud ja hävitavad need, " räägib Mary Hagedorn probleemist, millega ta seisis sebrakala embrüote külmutamisel. (Entsüklopeedia elust / biopildid) Ehkki see protsess võis kalaembrüod tõhusalt peatada animatsiooni olekus, oli nende varundamine uuesti probleemiks. Soojades on ideaalse klaasitaolise oleku ja toatemperatuuri vahel vahepunkt, kus jääkristallid võivad uuesti moodustuma. Ja need kristallid võivad rakulist materjali kahjustada, jättes selle edasiseks arenguks võimetuks.
"Me pidime neid palju kiiremini sulatama, " sõnas Hagedorn. “Kasutades tööriistu, mis meil 2011. aastal olid. . . Ma lõin seina. ”
Mõnda aega ta loobus.
Ja nii võisid asjad jääda, kui see ei olnud juhuslik kohtumine külmasäilituskonverentsil millalgi 2013. aastal, kus ta kuulis Minnesota ülikooli masinaehituse professori John Bischofi ettekannet.
Nagu Bischof ütleb, oli ta esitlenud sõltumatul teemal, mis hõlmas raudoksiidi nanoosakesi, mida tema labor on kasutanud inimkoe ohutul soojendamisel siirdamiseks. Tema uurimistöö klõpsas Hagedornil, ajendades teda mõtlema selle potentsiaalile mitteimetajate rakenduste jaoks.
"Ta ütles: mida saate teha, et aidata mind embrüote vastu, " meenutab Bischof.
See algne küsimus sünnitas keeruka, pideva interdistsiplinaarse koostöö - selles, milles nii Hagedorn kui ka Bischof rõhutasid teise töö olulisust.
Nende tulemused, mis avaldati sel nädalal ajakirjas ACS Nano, näitavad, et külmutatud kalaembrüoid on võimalik ohutult soojendada.
Nende töö inspiratsioon sai nüüd surnud teadlane nimega Peter Mazur, kes arvas, et külmunud embrüoid on võimalik soojendada laseritega. (Jah, laserid.) Kuigi idee oli potentsiaalselt mõistlik, on Hagedorn öelnud, et lastel on vaja bioloogilisele materjalile soojust edastada. Koos teise teadlase Fritz Kleinhansiga arvas Mazur siiski, et võib olla võimalik embrüoga lahusesse lisada mõni muu aine - see, mis võtab laserilt soojust ja edastab selle bioloogilisele ainele.
Mazuri puhul tähendas see süsimust India tindi kujul - ainet, mis neelab ja edastab soojust hästi - ja Kleinhansi sõnul saab seda osta lihtsalt veebisaidil Amazon.com. Kui see asetada näiteks hiire külmutatud embrüo ümber, võib üksik laserimpulss viia raku materjali peaaegu hetkega toatemperatuurini, väljudes soojenemise vahefaasist, kus ähvardavad tekkida jääkristallid. Kleinhans ütleb, et Hagedorni töö varasemas faasis lootis ta, et see tehnika võib töötada ka sebrakala embrüote puhul. Paraku olid nad ikka veel liiga suured ja selleks ajaks, kui väline kuumus jõudis tsentrisse, moodustusid juba saatuslikud jääkristallid.
Nagu Hagedorn, Bischof ja nende kaastöötajad oma uues artiklis kirjutavad, oli siiski ka teine võimalus. India tindi levitamiseks embrüo välisküljele ei pruukinud olla piisavalt, kuid mis juhtuks, kui nad sisestaksid enne külmutamist mõnda muud reageerivat materjali? Selleks asusid nad elama kuld nanoroodidele - väiksemahulistele molekulaarstruktuuridele, suurusjärgus väiksemad kui inimese juuksed -, mille nad süstisid embrüo koos säilitusainetega koos antifriisidega, kasutades meetodeid, mille Hagedorn oli aastaid varem välja töötanud.
Nagu teadlased oma artiklis kirjutavad: “Need nanoosakesed võivad tõhusalt soojust tekitada, kui laseri lainepikkus vastab kulla nanoosakeste pinna plasmoni resonantsienergiale.” See on keeruline viis, kuidas öelda, et nanorod võivad lühikese valguse välgu abil energiat neelata ja võimendada.
Nagu paljudel teistel ainetel, on kuldil nanoskaalal erinevad omadused kui lahtiselt. Hästi kalibreeritud millisekundiline laserimpulss võib embrüot kogu selles jaotunud kullaga äkki soojendada, kuumutades seda hämmastava kiirusega 1, 4 x 10 7 ° C minutis, mis on peaaegu mõõtmatu temperatuur, mis on juhitav kiirete purunemiste korral. teadlased tööle.
"Laseri ühe millisekundise impulsi korral lähete vedelast lämmastikust toatemperatuurini, " räägib Bischof. Tähelepanuväärne on see, et erinevalt Hagedorn varem proovitud meetoditest olid tulemused piisavalt kuumad - ja piisavalt levinud - terve sebrakala embrüo korraga edukaks soojendamiseks.
Kui see barjäär lõpuks ületati, jäid küsimused alles. Nende seas oli oluline, kas need embrüod oleksid endiselt elujõulised. Nagu teadlased oma artiklis väidavad, olid märkimisväärne osa, ehkki mitte kõik. Neist, mille nad sulatasid, tegi 31 protsenti sellest vaid tund pärast soojenemist, 17 protsenti ületas kolme tunni piiri ja kõigest 10 protsenti arenes endiselt pärast 24-tunnist märki.
Ehkki see võib tunduda väike, on see palju suurem kui nullprotsendiline ellujäämismäär, mille varasemate meetoditega oli saadud. Hagedorn loodab, et edaspidine töö “suurendab” neid numbreid veelgi. Ja ta on positiivne isegi 10 protsendi osas. "Kala võib toota miljoneid mune ja kui ma peaksin neist 10 protsenti edukalt külmutama, on see tõesti hea arv, " ütleb ta.
Muidugi eeldaks miljonite munadega vaeva nägemine, et need muudaksid protsessi tõhususe suurendamiseks veelgi. Sel hetkel langeb suur osa sellest tööst Bischofi ja tema laboris viibivate töötajate õlgadele, kus juba tehakse tööd protsessi “läbilaskevõime” parandamiseks, võimalusel muutes selle tööstuslikumaks ettevõtmiseks. "Arvan, et lähiaastatel on vaja arendada mitmeid soodustavaid tehnoloogiaid, " ütles ta mulle.
Kui see töö õnnestub, arvab Hagedorn, et sellel võiks olla ka muid kasutusvõimalusi, mis ulatuvad kaugele alandlikust sebrakaladest.
"Paljud vesiviljelustootjad soovivad kala [paljundusmaterjali] külmutada, sest nad kudevad ainult üks kord aastas, " rääkis naine. „Teil on nende talude pidamisel see buumi ja rinnapiiri aspekt. Kui saaksite embrüoid plaanipärasemalt sügavkülmast välja võtta, muudaks see toidu odavamaks ja usaldusväärsemaks. ”
See võib mõjutada ka eluslooduse kaitset. Täna peamiselt korallidel töötav Hagedorn arvab, et see võib aidata meil kahjustatud riffe parandada. Ta soovitab ka, et see võib lõppkokkuvõttes taastada kahanenud konnapopulatsioonid ja võib-olla päästa ka teised liigid. Sõltumata sellest, kuhu see töö meid tulevikus viib, on see siiski tõestus teadusliku koostöö potentsiaalist tänapäeval.
„Alguses ei tundunud see ausalt öeldes päris. On bioloogiliselt mõistlik, et saaksime seda teha, kuid tundus, et me ei saa kunagi kõiki tükke kokku, ”rääkis ta mulle. „Kui ma poleks sel koosolekul Jaani kõrval maha istunud, poleks me seda kunagi teinud. Ilma meie ühiste pingutusteta - tehnika ja bioloogia - poleks seda juhtunud. "
