Για περισσότερα από 20 χρόνια, η θαλάσσια βιολόγος Mary Hagedorn αντιμετώπισε ένα φαινομενικά δύσκολο πρόβλημα. Ψάχνει για έναν τρόπο να παγώσει και να αποψύξει τα έμβρυα της ζεμπραρίδας.
Ένα σημαντικό πειραματικό ζώο, γονίδια zebrafish προσεγγίζουν αυτά των ανθρώπων αρκετά στενά ότι έχουν χρησιμοποιηθεί για να διερευνήσουν ασθένειες όπως η μυϊκή δυστροφία και το μελάνωμα. Εάν το αναπαραγωγικό υλικό μπορούσε εύκολα να καταψυχθεί και να αποψυχθεί, οι μελέτες αυτές θα ήταν ευκολότερες στη διεξαγωγή και την αναπαραγωγή, δεδομένου ότι οι ερευνητές δεν θα χρειαζόταν να επεξεργάζονται τα προγράμματα ωοτοκίας ή να παλεύουν ενάντια στη γενετική παραμόρφωση.
Το πρόβλημα έρχεται στον τρόπο αναπαραγωγής των ψαριών. Οι επιστήμονες κατάφεραν να καταψύξουν ή να κρυοσυντηρήσουν, να χρησιμοποιήσουν τον τεχνικό όρο και να αποψύξουν βιώσιμα σπερματοζωάρια και αυγά από πολλά ζώα εδώ και δεκαετίες. Αλλά τα αυγά ψαριών αναπτύσσονται έξω από το σώμα του γονέα, το οποίο παρουσιάζει φυσιολογικές προκλήσεις που δεν εμφανίζονται όταν εργάζεστε με κύτταρα από βοοειδή ή ακόμη και ανθρώπους. Το αυγό περιέχει τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζεται το αναπτυσσόμενο έμβρυο και έχει επίσης τη δική του πανοπλία, πράγμα που σημαίνει ότι αυτά τα αυγά είναι μεγάλα και συχνά εγκλεισμένα σε μια σχετικά αδιαπέραστη μεμβράνη.
Για να το πούμε απλά, τα αυγά ψαριών τείνουν να είναι πολύ μεγάλα για να παγώσουν ή να ξεπαγώσουν γρήγορα υπό κανονικές συνθήκες. Ο Hagedorn, ο οποίος εργάζεται ως ερευνητής βιολόγος με το Εθνικό Κέντρο Ζωολογίας και Διατήρησης Βιολογίας του Smithsonian στο Κέντρο για την Επιβίωση των Ειδών, τα συγκρίνει με τους πλανήτες. Τα αυγά των θηλαστικών είναι συνήθως τα πιο μικρά μέλη του ηλιακού μας συστήματος - ας πούμε, ο υδράργυρος. Ένα αυγό zebrafish είναι πιο κοντά σε ένα γιγάντιο όπως ο Δίας.
"Αν δεν καταψύξετε τον ιστό σωστά, θα σχηματιστούν κρυστάλλους πάγου και θα διαπεράσουν τα κύτταρα και θα τα καταστρέψουν", λέει ο Hagedorn.
Πέρασε 12 χρόνια αναζητώντας έναν εναλλακτικό τρόπο αντιμετώπισης, επιλύοντας τελικά μια νέα λύση που περιελάμβανε την μικροενέλαση ενός «κρυοπροστατευτικού» (ένα αντιψυκτικό, βασικά) στα αυγά, μια τεχνική που επέτρεπε στον παράγοντα να παρακάμψει την προστατευτική μεμβράνη. Τα κατάλληλα διαβαθμισμένα για να αποφευχθεί η δηλητηρίαση των κυττάρων, αυτά τα προστατευτικά θα μπορούσαν να βοηθήσουν να διασφαλιστεί ότι ένα αυγό θα υαλοποιούσε ομοιόμορφα (γίνεται υαλοειδές) όταν βυθίστηκε σε λουτρό υγρού αζώτου.
"Αν δεν καταψύξετε τον ιστό σωστά, θα σχηματιστούν κρυστάλλους πάγου και θα διαπεράσουν τα κύτταρα και θα τα καταστρέψουν", λέει η Mary Hagedorn για το πρόβλημα που αντιμετώπισε προσπαθώντας να παγώσει τα έμβρυα zebrafish. (Εγκυκλοπαίδεια Ζωής / Bioimages) Ενώ η διαδικασία αυτή θα μπορούσε να θέσει αποτελεσματικά τα έμβρυα των ψαριών σε κατάσταση αναστολής κινούμενων σχεδίων, η θέρμανση τους πίσω και πάλι εξακολουθεί να αποτελεί πρόβλημα. Καθώς θερμαίνονται, υπάρχει ένα ενδιάμεσο σημείο μεταξύ της ιδανικής γυάλινης κατάστασης και της θερμοκρασίας δωματίου, όπου μπορούν να αρχίσουν να σχηματίζονται και πάλι κρυστάλλους πάγου. Και αυτοί οι κρύσταλλοι μπορούν να βλάψουν το κυτταρικό υλικό, αφήνοντάς το ανίκανο να αναπτυχθεί περαιτέρω.
"Πρέπει να τα ξεπαγώμε πολύ πιο γρήγορα", δήλωσε ο Hagedorn. "Χρησιμοποιώντας τα εργαλεία που είχαμε το 2011. . . Χτύπησα έναν τοίχο. "
Για μια στιγμή εγκατέλειψε.
Και έτσι θα μπορούσαν να παραμείνουν τα πράγματα αν δεν ήταν μια τυχαία συνάντηση σε μια διάσκεψη κρυοσυντήρησης κάποτε το 2013 όπου άκουσε μια παρουσίαση από τον John Bischof, καθηγητή μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα.
Όπως το λέει ο Bischof, παρουσιάστηκε σε ένα μη σχετικό θέμα που αφορούσε νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου, τα οποία το εργαστήριό του χρησιμοποίησε για την ασφαλή αναζωογόνηση ανθρώπινου ιστού για μεταμόσχευση. Η έρευνά του έκανε κλικ με τον Hagedorn, που την ώθησε να σκεφτεί για τις δυνατότητές του για εφαρμογές εκτός θηλαστικών.
"Είπε: Τι μπορείτε να κάνετε για να με βοηθήσετε με τα έμβρυα", θυμάται ο Bischof.
Αυτή η αρχική ερώτηση δημιούργησε μια πολύπλοκη, συνεχιζόμενη διεπιστημονική συνεργασία, στην οποία τόσο ο Hagedorn όσο και ο Bischof επιμένουν στη σημασία του έργου του άλλου.
Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύτηκαν αυτή την εβδομάδα στο περιοδικό ACS Nano, δείχνουν ότι είναι πιθανό να είναι δυνατή η ασφαλή επαναθέρμανση των κατεψυγμένων εμβρύων.
Η έμπνευση για τη δουλειά τους προήλθε από τις προσπάθειες ενός πεθαμένου επιστήμονα που ονομάστηκε Peter Mazur ο οποίος σκέφτηκε ότι θα ήταν δυνατόν να αναθερμανθούν τα κατεψυγμένα έμβρυα με λέιζερ. (Ναι, λέιζερ.) Ενώ η ιδέα ήταν δυνητικά υγιής, είναι δύσκολο, μου είπε ο Hagedorn, για να πάρουν λέιζερ για να μεταφέρουν θερμότητα σε βιολογικό υλικό. Μαζί με έναν άλλο ερευνητή που ονομάζεται Fritz Kleinhans, όμως, ο Mazur κατάλαβε ότι είναι πιθανό να εισαχθεί μια άλλη ουσία στην λύση με το έμβρυο, ένα που θα αντλήσει θερμότητα από το λέιζερ και θα το μεταφέρει στο βιολογικό υλικό.
Στην περίπτωση του Μαζούρ, αυτό σήμαινε τον αιθάλη με τη μορφή μελάνης Ινδίας, μιας ουσίας που απορροφά και μεταφέρει θερμότητα καλά - και αυτό που λέει ο Kleinhans, μπορείτε απλά να αγοράσετε από το Amazon.com. Αν τοποθετηθεί γύρω από ένα παγωμένο έμβρυο ποντικιού, για παράδειγμα, ένας παλμός λέιζερ θα μπορούσε να φέρει σχεδόν στιγμιαία το κυτταρικό υλικό σε θερμοκρασία δωματίου, παρακάμπτοντας την ενδιάμεση φάση της θέρμανσης όπου απειλούνται τα κρύσταλλα πάγου. Ο Kleinhans λέει ότι κατά την προηγούμενη φάση του έργου του Hagedorn είχε ελπίζει ότι η τεχνική θα μπορούσε να λειτουργήσει και για τα έμβρυα zebrafish. Δυστυχώς, εξακολουθούσαν να είναι πολύ μεγάλοι και από τη στιγμή που η εξωτερική θερμότητα έφτασε στο κέντρο, σχηματίστηκαν ήδη θανατηφόρα κρυστάλλινα πάγου.
Όπως έγραψαν και οι Hagedorn, Bischof και οι συνεργάτες τους στο νέο τους βιβλίο, υπήρξε και άλλος τρόπος. Η διάδοση της μελάνης της Ινδίας στο εξωτερικό του εμβρύου μπορεί να μην ήταν αρκετή, αλλά τι θα συνέβαινε αν εισήγαγαν κάποιο άλλο υλικό που ανταποκρίνεται στις ανάγκες της κατάψυξης; Για να το πράξουν, εγκαταστάθηκαν σε νανοδέρματα χρυσού - μικροσκοπικές μοριακές δομές, τάξεις μεγέθους μικρότερες από τις ανθρώπινες τρίχες - τις οποίες εισήγαγαν μαζί με τους αντιψυκτικούς παράγοντες στο έμβρυο πριν τη συντήρησή τους, χρησιμοποιώντας τις μεθόδους που ο Hagedorn είχε επεξεργαστεί χρόνια πριν.
Όπως γράφουν οι ερευνητές στην επιστολή τους: "Αυτά τα νανοσωματίδια μπορούν να παράγουν θερμότητα όταν το μήκος κύματος λέιζερ ταιριάζει με την ενέργεια συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων του χρυσού νανοσωματιδίου." Αυτός είναι ένας περίπλοκος τρόπος να πούμε ότι τα nanorods μπορούν να απορροφήσουν και να ενισχύσουν την ενέργεια από ένα σύντομο φως φωτός.
Ο χρυσός, όπως και πολλές άλλες ουσίες, παρουσιάζει διαφορετικές ιδιότητες στη νανοκλίμακα από ό, τι χύμα. Ένας καλά βαθμονομημένος παλμός λέιζερ χιλιοστών του δευτερολέπτου μπορεί να θερμαίνει ξαφνικά ένα έμβρυο μέσω του χρυσού που διανέμεται σε αυτό, αναθερμάνοντας το με εκπληκτικό ρυθμό 1, 4 x 107 ° C ανά λεπτό, μια σχεδόν αδιαφανή θερμοκρασία που μπορεί να αντιμετωπιστεί στις γρήγορες εκρήξεις που οι ερευνητές απασχολούν.
"Σε αυτό το παλμό ενός χιλιοστού του λέιζερ, πηγαίνετε από υγρό άζωτο σε θερμοκρασία δωματίου", λέει ο Bischof. Σημαντικά, σε αντίθεση με οποιαδήποτε μέθοδο που είχε δοκιμάσει προηγουμένως ο Hagedorn, τα αποτελέσματα ήταν αρκετά καυτά - και αρκετά διαδεδομένα αρκετά - για να επαναπληρώσουν με επιτυχία ένα ολόκληρο έμβρυο zebrafish ταυτόχρονα.
Με το εμπόδιο αυτό τελικά διέσχισε, τα ερωτήματα παρέμειναν. Ένα από τα βασικά στοιχεία ήταν το κατά πόσον τα έμβρυα θα ήταν ακόμη βιώσιμα. Όπως αναφέρουν οι ερευνητές στην εργασία τους, ένα σημαντικό ποσοστό ήταν, αν και όχι όλοι. Από αυτά που είχαν ξεπαγώσει, το 31 τοις εκατό το έκαναν μόλις μία ώρα μετά το ζέσταμα, το 17 τοις εκατό διέσχισε το τριών ωρών, ενώ μόλις το 10 τοις εκατό εξακολουθούσαν να αναπτύσσονται μετά το 24ωρο σημάδι.
Ενώ αυτό μπορεί να ακούγεται μικρό, είναι πολύ μεγαλύτερο από το μηδενικό ποσοστό επιβίωσης που είχαν αποδώσει προηγούμενες μέθοδοι. Ο Hagedorn ελπίζει ότι η μελλοντική δουλειά θα "ενισχύσει" τους αριθμούς αυτούς περαιτέρω. Και παραμένει θετική και για το 10 τοις εκατό. "Ένα ψάρι μπορεί να παράγει εκατομμύρια αυγά, και αν θα παγώσω με επιτυχία το 10 τοις εκατό αυτών, αυτό είναι ένας πολύ καλός αριθμός", λέει.
Φυσικά, η αντιμετώπιση των εκατομμυρίων αυγών θα απαιτούσε να μετατραπούν περαιτέρω στη διαδικασία για την αποτελεσματικότητα. Σε αυτό το σημείο, μεγάλο μέρος αυτού του έργου πέφτει στους ώμους του Bischof και άλλων στο εργαστήριό του, όπου ήδη βρίσκονται σε εξέλιξη εργασίες για τη βελτίωση της "διαδικασίας" της διαδικασίας, ενδεχομένως μετατρέποντάς την σε μια πιο βιομηχανική προσπάθεια. "Νομίζω ότι πρόκειται να υπάρξει μια σειρά τεχνολογιών που θα αναπτυχθούν προς αυτή την κατεύθυνση τα επόμενα χρόνια", μου είπε.
Εάν η εργασία αυτή επιτύχει, ο Hagedorn σκέφτεται ότι θα μπορούσε να έχει άλλες χρήσεις που υπερβαίνουν το ταπεινό ζεμπέρι.
"Πολλοί αγρότες υδατοκαλλιέργειας θέλουν να παγώσουν τα ψάρια [αναπαραγωγικό υλικό], επειδή αναπαράγονται μόνο μία φορά το χρόνο", ανέφερε. "Έχετε αυτή την έκρηξη και την έκρηξη στην εκμετάλλευση των εκμεταλλεύσεών τους. Αν μπορούσατε να βγάζετε τα έμβρυα από τον καταψύκτη με πιο προγραμματισμένο τρόπο, θα γινόταν φθηνότερη και πιο αξιόπιστη.
Μπορεί επίσης να έχει αντίκτυπο στη διατήρηση της άγριας φύσης. Ο Hagedorn, ο οποίος εργάζεται κυρίως σε κοράλλια σήμερα, πιστεύει ότι μπορεί να μας βοηθήσει να επιδιορθώσουμε τους κατεστραμμένους υφάλους. Προτείνει επίσης ότι θα μπορούσε τελικά να αποκαταστήσει τους εξαντλημένους πληθυσμούς βατράχων και ίσως να σώσει και άλλα είδη. Ανεξάρτητα από το πού θα μας οδηγήσει το έργο στο μέλλον, όμως, αποτελεί απόδειξη της δυναμικής της επιστημονικής συνεργασίας σήμερα.
"Στην αρχή δεν ένιωσα ειλικρινά. Κάνει βιολογική αίσθηση ότι θα μπορούσαμε να το κάνουμε, αλλά φαινόταν σαν να μην βγάλουμε ποτέ όλα τα κομμάτια μαζί », μου είπε. "Αν δεν είχα καθίσει δίπλα στον Ιωάννη σε αυτή τη συνάντηση, δεν θα είχαμε κάνει ποτέ αυτό. Χωρίς τις κοινές μας προσπάθειες - τη μηχανική και τη βιολογία - αυτό δεν θα είχε συμβεί. "
