https://frosthead.com

Супер нови начин замрзавања и одмрзавања ембриона зебрафисх користећи златну нанотехнологију и ласере

Више од 20 година морска биологиња Мари Хагедорн суочавала се са наизглед непремостивим проблемом. Тражила је начин да замрзне и одмрзне ембрионе зебра.

Важни експериментални животињски гени зебрафисх приближни су онима човека довољно блиским да су коришћени за истраживање болести попут мишићне дистрофије и меланома. Ако би се репродуктивни материјал могао лако замрзнути и одмрзнути, те студије би било лакше проводити и копирати, јер истраживачи не би морали да раде око распореда мријестања или да се боре против генетског одљева.

Проблем се своди на начин на који се рибе размножавају. Научници се деценијама успешно замрзавају - или криочувају, користећи технички израз - и одмрзавају одрживу сперму и јајашца многих животиња. Али рибља јаја се развијају изван родитељског тела, што представља физиолошке изазове који не настају када радите са ћелијама стоке или чак људима. Јаје садржи хранљиве материје које ће ембриону у развоју требати и такође има свој оклоп, што значи да су та јаја велика и често затворена у релативно непропусној мембрани.

Једноставно речено, рибља јаја су обично превелика да би се у уобичајеним околностима брзо смрзнула или одмрзавала. Хагедорн - који ради као истраживачки биолог са Националним центром за преживљавање врста биолошког института Смитхсониан-а, упоређује их са планетима. Јаја сисара обично су више попут сићушних чланова нашег Сунчевог система - рецимо, Меркура. Јаје зебрафице је ближе великану попут Јупитера.

"Ако ткиво не замрзнете правилно, у њему ће се формирати ледени кристали, који ће пробити ћелије и уништити их", каже Хагедорн.

Провела је 12 година у потрази за решавањем, на крају се сналазећи на новом решењу које је укључивало микроињектирање „криопротектера“ (антифриза, у основи) у јаја, технику која је омогућила том агенту да заобиђе заштитну мембрану. Правилно калибрирани да се не би отровало ћелије, ти заштитни агенси могу помоћи да се јаје равномерно витрификује (постајући налик на стакло) када се умочи у купатило са течним азотом.

"Ако ткиво не замрзнете правилно, у њему ће се формирати ледени кристали, који ће пробити ћелије и уништити их", каже Мари Хагедорн о проблему са којим се суочила покушавајући да замрзне ембрионе зебра. „Ако ткиво не замрзнете правилно, у њему ће се формирати ледени кристали, који ће пробити ћелије и уништити их“, каже Мари Хагедорн о проблему са којим се суочила покушавајући да замрзне ембрионе зебра. (Енцицлопедиа оф Лифе / Биоимагес)

Иако би тај процес могао ефективно ставити рибље ембрионе у стање суспендиране анимације, загревање истих поново је остало проблем. Како се загреју, постоји идеална тачка између идеалног стања налик на стакло и собне температуре где ледени кристали могу поново да се формирају. А ти кристали могу оштетити ћелијски материјал, остављајући га неспособним за даљи развој.

"Требали смо их брже одмрзнути", рекао је Хагедорн. „Користећи алате које смо имали у 2011. години . . Ударио сам у зид. "

Накратко је одустала.

И тако би ствари могле остати да није случајног сусрета на конференцији крио конзервације негде 2013. године, где је чула презентацију Јохна Бисцхофа, професора машинског инжењерства на Универзитету у Миннесоти.

Како то каже Бисцхоф, представљао је на неповезану тему која се односи на наночестице оксида гвожђа, а његова лабораторија је користила у сигурном загревању људског ткива за трансплантацију. Његово истраживање кликнуло је на Хагедорна, подстакнувши је да размисли о свом потенцијалу за примену код сисара.

„Рекла је: Шта можете да ми помогнете са ембрионима“, присећа се Бишоф.

То првобитно питање родило је сложену, непрекидну интердисциплинарну сарадњу - ону у којој и Хагедорн и Бисцхоф инсистирају на важности рада другог.

Њихови резултати објављени ове седмице у часопису АЦС Нано указују на то да би ипак могло бити могуће сигурно подгрејати замрзнуте рибље ембрије.

Инспирација за њихов рад потекла је од напора преминулог научника по имену Петер Мазур који је мислио да је могуће подгрејати замрзнуте ембрионе ласерима. (Да, ласери.) Иако је идеја била звучна, изазовна је, рекао ми је Хагедорн, набавити ласере за пренос топлоте биолошком материјалу. Заједно са другим истраживачем по имену Фритз Клеинханс, Мазур је схватио да би било могуће увести у раствор још једну супстанцу, ону која би покупила топлоту од ласера ​​и пребацила га у биолошку материју.

У Мазуровом случају, то је значило чађу у облику индијске мастиле, супстанцу која добро апсорбује и преноси топлоту - а ону коју, каже Клеинханс, можете једноставно купити на Амазон.цом. Ако би био постављен око замрзнутог ембриона миша, на пример, један ласерски импулс могао би готово тренутно довести ћелијски материјал на собну температуру, заобилазећи посредничку фазу загревања где претећи да се формирају кристали леда. Клеинханс каже да се током раније фазе рада Хагедорна надала да ће ова техника моћи да функционише и за ембрионе зебра. Јао, они су и даље били превелики, и док су се спољне топлоте пробиле до центра, фатални кристали леда су се већ формирали.

Како Хагедорн, Бисцхоф и њихови сарадници пишу у свом новом тексту, постојао је још један начин. Ширење индијске мастила по спољној страни ембриона можда није довољно, али шта ако су унутра ставили неки други реактиван материјал пре замрзавања? Да би то учинили, населили су се на златним нанородама - ситним молекуларним структурама, величине мање од људске длаке - које микро убризгавају заједно са средствима против смрзавања у ембрион пре конзервирања, користећи методе које је Хагедорн радио годинама пре.

Како истраживачи пишу у свом раду, „Ове наночестице могу ефикасно стварати топлоту када се ласерска таласна дужина подудара са површинском плазмонском резонантном енергијом наночестица.“ То је компликован начин за рећи да нанороди могу да апсорбују и појачају енергију кратким бљесковима светлости.

Злато, као и многе друге супстанце, на наностару показује другачија својства него у расутом стању. Добро калибрирани милисекундни ласерски импулс може изненада загрејати ембрион путем злата распоређеног по њему, загревајући га задивљујућом брзином од 1, 4 к 10 7 ° Ц у минуту, готово неухватљивом температуром која се може брзо управљати истраживачи запошљавају.

„У том милисекундном ласеру прелазите из течног азота у собну температуру“, каже Бисцхоф. Значајно је да су, за разлику од било које методе коју је Хагедорн покушао раније, резултати били довољно врући - и довољно широко дистрибуирани - да се успешно поново загрева цео ембрион зебрафисх одједном.

Кад се та баријера коначно прешла, остала су питања. Кључно међу њима је било да ли ће ти ембриони још увек бити одрживи. Како извештавају истраживачи у свом раду, значајан део био је, иако не сви. Од оних који су се одмрзнули, 31 одсто је то учинило само сат времена након загревања, 17 одсто је прешло тросатну марку, а само 10 процената се и даље развијало након 24-сатне ознаке.

Иако то може звучати мало, далеко је већа од стопе преживљавања од нула одсто које су дале раније методе. Хагедорн се нада да ће будући рад додатно „побољшати“ те бројеве. И она остаје позитивна чак и од 10 процената. „Риба може да произведе милионе јаја, а ако бих успешно замрзнула 10 одсто, то је заиста добар број“, каже она.

Наравно, грабљање са милионима јаја ће захтевати да они додатно трансформишу процес ради ефикасности. У овом тренутку, велики део тог посла пада на рамена Бисцхофа и других у његовој лабораторији, где је већ у току рад на побољшању „пропусности“ процеса, што би га потенцијално претворило у индустријски подухват. "Мислим да ће постојати низ омогућујућих технологија које ће се развијати у наредним годинама", рекао ми је.

Ако тај посао успе, Хагедорн мисли да би то могло имати и друге сврхе које надилазе скромне зебре.

„Много пољопривредника у аквакултури жели да замрзне рибу [репродуктивни материјал], јер се она мријести само једном годишње“, рекла је она. „Имате овај аспект процвата и покретања својих фарми. Ако бисте могли заменити ембрионе из замрзивача на планиранији начин, храна би била јефтинија и поузданија. "

Такође може имати утицаја на очување дивљих животиња. Хагедорн, који данас ради превасходно на кораљу, сматра да би нам то могло помоћи да поправимо оштећене гребене. Она такође сугерира да би то коначно могло да обнови популације осиромашених жаба, а можда и спаси друге врсте. Без обзира на то куда нас рад води у будућности, он данас представља доказ сведочења о потенцијалној научној сарадњи.

„Испочетка се није осећао стварно. Има биолошког смисла да бисмо то могли учинити, али чинило се као да никада нећемо скупити све комаде “, рекла ми је. „Да нисам сео поред Џона на том састанку, то никада не бисмо урадили. Без наших заједничких напора - инжењерства и биологије - то се не би догодило. "

Супер нови начин замрзавања и одмрзавања ембриона зебрафисх користећи златну нанотехнологију и ласере