Повече от 20 години морският биолог Мери Хегердн се сблъсква с привидно неразрешим проблем. Търсеше начин да замрази и размразява ембрионите от зебрафини.
Важно експериментално животно, гените на зебрафините приблизително се доближават до тези на хората, че са били използвани за изследване на заболявания като мускулна дистрофия и меланом. Ако репродуктивният материал би могъл да бъде лесно замразен и размразен, тези изследвания биха били по-лесни за провеждане и възпроизвеждане, тъй като изследователите няма да трябва да работят около схемите за хвърляне на хайвера или да се борят срещу генетичния дрейф.
Бедата се свежда до начина, по който се размножават рибите. Учените успешно замразяват - или криоконсервират, за да използват техническия термин - и размразяват жизнеспособни сперматозоиди и яйца от много животни от десетилетия. Но рибните яйца се развиват извън тялото на родителя, което представя физиологични предизвикателства, които не се появяват, когато работите с клетки от говеда или дори хора. Яйцето съдържа хранителните вещества, от които развиващият се ембрион ще се нуждае, а също така има собствена броня, което означава, че тези яйца са големи и често са затворени в сравнително непромокаема мембрана.
Казано по-просто, рибните яйца са твърде големи, за да замръзнат или размразят бързо при обикновени обстоятелства. Хегердн, който работи като изследователски биолог в Националния зоологически институт на Смитсонов национален зоологически и природозащитен институт за оцеляване на видове - ги сравнява с планетите. Яйцата на бозайници обикновено са по-скоро като мъничките членове на нашата Слънчева система - да речем, Меркурий. Яйце от зебрафина е по-близо до гигант като Юпитер.
„Ако не замразите тъканта правилно, в нея ще се образуват ледени кристали и те ще пробият клетките и ще ги унищожат“, казва Хагедорн.
Тя прекара 12 години в търсене на решение, в крайна сметка се намеси върху ново решение, което включва микроинжектиране на „криопротектор“ (антифриз, основно) в яйцата, техника, която позволява на този агент да заобиколи защитната мембрана. Правилно калибрирани, за да се избегне отравяне на клетките, тези защитни средства могат да помогнат да се гарантира, че едно яйце равномерно се витрифицира (става като стъкло), когато се потопи във вана с течен азот.
„Ако не замразите тъканта правилно, в нея ще се образуват ледени кристали и те ще пробият клетките и ще ги унищожат“, казва Мери Хегедърн за проблема, с който се е изправила при опита си да замрази ембриони от зебра. (Енциклопедия на живота / Биообрази) Въпреки че този процес може ефективно да постави рибни ембриони в състояние на спрена анимация, загряването им отново остава проблем. Докато се затоплят, има междинна точка между идеалното състояние на стъкло и стайната температура, при което ледените кристали могат да започнат да се образуват отново. И тези кристали могат да повредят клетъчния материал, оставяйки го неспособен за по-нататъшно развитие.
„Трябваше да ги размразим много по-бързо“, каза Хагедорн. „Използвайки инструментите, които имахме през 2011 г., , Ударих се в стена. “
За малко тя се отказа.
И така може би са останали нещата, ако не беше случайна среща на конференция за криоконсервация някъде през 2013 г., където тя чу презентация на Джон Бишоф, професор по машинен инженерство в университета в Минесота.
Както казва Бишоф, той е представял по несвързана тема, свързана с наночастиците от железен оксид, които лабораторията му е използвала за безопасното затопляне на човешката тъкан за трансплантация. Изследването му щракна с Хагедорн, като я накара да се замисли за потенциала си за приложения без бозайници.
„Тя каза: Какво можете да направите, за да ми помогнете с ембрионите“, спомня си Бишоф.
Този първоначален въпрос породи сложно и продължаващо междудисциплинарно сътрудничество - такова, в което и Хагедорн, и Бишоф настояват за важността на работата на другия.
Резултатите от тях, публикувани тази седмица в списанието ACS Nano, показват, че в крайна сметка е възможно безопасното затопляне на замразени рибни ембриони.
Вдъхновението за тяхната работа дойде от усилията на вече починал учен на име Питър Мазур, който смяташе, че е възможно да се затоплят замразени ембриони с лазери. (Да, лазери.) Докато идеята беше потенциално здрава, предизвикателна е, каза ми Хагедорн, да накарам лазери, които да предават топлина на биологичен материал. Заедно с друг изследовател на име Фриц Клайнханс обаче, Мазур разбра, че е възможно да се въведе друго вещество в разтвора с ембриона, такова, което да набира топлина от лазера и да го прехвърля в биологичната материя.
В случая на Мазур това означаваше сажди под формата на мастило в Индия, вещество, което поглъща и доставя топлина добре - и това, което, казва Клайнханс, можете просто да купите на Amazon.com. Ако се постави около замръзнал миши ембрион, например, един единствен лазерен импулс би могъл почти моментално да доведе клетъчния материал до стайна температура, заобикаляйки посредническата фаза на затопляне, където ледени кристали заплашват да се образуват. Клайнханс казва, че по-ранната фаза на работата на Хагедорн се е надявала, че техниката може да работи и за ембриони от зебрафини. Уви, те все още бяха твърде големи и по времето, когато външната топлина пробиваше към центъра, фатални ледени кристали вече се образуваха.
Както Хегердн, Бишоф и техните сътрудници пишат в новата си книга, обаче, имаше друг начин. Разпространението на мастило в Индия от външната страна на ембриона може да не е достатъчно, но какво ще стане, ако вмъкнат някакъв друг отзивчив материал преди да замръзне? За да направят това, те се заселват върху златни нанороди - незначителни молекулни структури, с порядък по-малък от човешки косъм - които микроинжектират заедно с антифриза в ембриона преди консервиране, използвайки методите, които Хагедорн е работил преди години.
Както изследователите пишат в своя труд, „Тези наночастици могат ефективно да генерират топлина, когато дължината на вълната на лазера съвпада с повърхностната плазмонна резонансна енергия на златната наночастица.“ Това е сложен начин да се каже, че нанородите могат да поемат и усилват енергията от кратка светкавица.
Златото, подобно на много други вещества, проявява различни свойства на наноразмер, отколкото в насипно състояние. Добре калибрираният милисекунден лазерен импулс може внезапно да нагрее ембриона чрез златото, разпределено в него, повторно нагряване с удивителната скорост от 1, 4 х 10 7 ° С в минута, почти несъвместима температура, която може да се управлява при бързите изблици, които изследователите наемат.
„В този един милисекунда импулс на лазера преминавате от течен азот към стайна температура“, казва Бишоф. Показателно е, че за разлика от всеки метод, който Хагедорн се е опитвал преди, резултатите са били достатъчно горещи - и широко разпространени - за успешно повторно затопляне на цял ембрион от зебра риба наведнъж.
След като тази бариера най-накрая беше пресечена, остават въпроси. Основно сред тях беше дали тези ембриони все още ще бъдат жизнеспособни. Както сочат изследователите в своя документ, значителна част са били, макар и не всички. От тези, които са размразили, 31 процента са го направили само час след затопляне, 17 процента са преминали тричасовата маркировка, а едва 10 процента все още се развиват след 24-часовата маркировка.
Въпреки че това може да звучи малко, той е много по-голям от нулевия процент преживяемост, по-ранни методи. Хегердн се надява, че бъдещата работа ще „подобри” тези числа допълнително. И тя остава позитивна дори за цифрата от 10 процента. „Една риба може да произведе милиони яйца и ако аз успешно замразя 10 процента от тях, това е наистина много“, казва тя.
Разбира се, боренето с милиони яйца ще изисква те допълнително да трансформират процеса за ефективност. В този момент голяма част от тази работа пада върху плещите на Бишоф и други в неговата лаборатория, където вече се работи за подобряване на „пропускателната способност” на процеса, което потенциално ще го превърне в по-индустриално начинание. „Мисля, че ще има редица улесняващи технологии, които ще се развият в тази насока през следващите години“, каза ми той.
Ако тази работа успее, Хагедорн смята, че може да има и други приложения, които надхвърлят скромния зебрафис.
„Много земеделски стопани искат да замразят риба [репродуктивен материал], тъй като те хвърлят хайвер само веднъж годишно“, каза тя. „Имате този аспект на бума и бюста при управлението на техните ферми. Ако можете да извадите ембрионите от фризера по по-планиран начин, това ще направи храната по-евтина и по-надеждна. "
Той може също да окаже влияние върху опазването на дивата природа. Хегердн, който днес работи предимно върху коралите, смята, че може да ни помогне да поправим повредените рифове. Тя също така предполага, че може в крайна сметка да възстанови популациите от изчерпани жаби и може би да спаси и други видове. Независимо от това къде ни отвежда работата в бъдеще, това е свидетелство за потенциала на научното сътрудничество днес.
„В началото честно казано не се чувстваше истинско. Има биологичен смисъл, че бихме могли да го направим, но като че ли никога няма да съберем всички парчета ”, каза ми тя. „Ако не бях седнал до Джон на тази среща, никога нямаше да го направим. Без нашите съвместни усилия - инженерството и биологията - това нямаше да се случи. "
