Više od 20 godina morska biologinja Mary Hagedorn suočavala se s naizgled neraskidivim problemom. Tražila je način da zamrzne i odmrzne embrije zebra.
Važni eksperimentalni životinjski geli zebrafish približno su približni onima kod ljudi da su korišteni za istraživanje bolesti poput mišićne distrofije i melanoma. Ako bi se reproduktivni materijal mogao lako zamrznuti i odmrznuti, te bi studije bilo lakše provesti i ponoviti, jer istraživači ne bi morali raditi oko rasporeda mrijesta ili se boriti protiv genetskog odljeva.
Problem se svodi na način na koji se ribe razmnožavaju. Znanstvenici se već desetljećima uspješno smrzavaju - ili krioprezerviraju - da koriste tehnički izraz - i odmrzavaju životinju spermu i jajašca mnogih životinja. Ali jajašca ribe razvijaju se izvan tijela roditelja, što predstavlja fiziološke izazove koji ne nastaju kada radite sa stanicama goveda, pa čak i ljudi. Jaje sadrži hranjive tvari koje će embrionu u razvoju trebati, a također ima i svoj oklop, što znači da su ta jaja velika i često zatvorena u relativno nepropusnoj membrani.
Jednostavno rečeno, riblja jaja obično su prevelika da bi se u uobičajenim okolnostima brzo smrznula ili odmrzavala. Hagedorn - koji radi kao istraživački biolog u Nacionalnom zavodu za preživljavanje vrsta biološkog instituta Smithsonian, uspoređuje ih s planetima. Jaja sisavaca obično su više poput sićušnih članova našeg Sunčevog sustava - recimo, Merkura. Jaje zebrafish bliže je divu poput Jupitera.
"Ako tkivo ne zamrznete pravilno, u njemu će se formirati ledeni kristali, koji će probiti stanice i uništiti ih", kaže Hagedorn.
Provela je 12 godina u potrazi za rješenjem, konačno se snalazeći na novom rješenju koje je uključivalo mikroinjektiranje „krioprotektera“ (antifriz, u osnovi) u jajašce, tehniku koja je omogućila tom agentu da zaobiđe zaštitnu membranu. Pravilno kalibrirani kako se ne bi otrovalo stanice, ti zaštitni agensi mogli bi osigurati da će jaje ravnomjerno vitrificirati (postati stakleno nalik) kad je ukuvano u kupelji s tekućim dušikom.
"Ako tkivo ne zamrznete pravilno, u njemu će se formirati ledeni kristali, a oni će probiti stanice i uništiti ih", kaže Mary Hagedorn o problemu s kojim se suočila pokušavajući zamrzavanje embrija zebre. (Enciklopedija života / biografije) Iako bi taj proces mogao učinkovito staviti riblje embrije u stanje suspendirane animacije, ponovno zagrijavanje ponovo ostaje problem. Kako se zagrijavaju, postoji idealna točka između idealnog stanja nalik na staklo i sobne temperature gdje se kristali leda mogu ponovo početi stvarati. A ti kristali mogu oštetiti stanični materijal, ostavljajući ga nesposobnim za daljnji razvoj.
"Trebali smo ih brže odmrznuti", rekao je Hagedorn. „Korištenje alata koje smo imali u 2011. godini, , Udario sam u zid. "
Nakratko je odustala.
I tako bi stvari mogle ostati da nije slučajnog susreta na konferenciji za krio konzervaciju negdje 2013. godine na kojoj je čula prezentaciju Johna Bischofa, profesora strojarstva na Sveučilištu u Minnesoti.
Kako kaže Bischof, bio je na nepovezanim temama koje uključuju nanočestice željezovog oksida, koje je njegov laboratorij koristio za sigurno zagrijavanje ljudskog tkiva za transplantaciju. Njegovo je istraživanje kliknulo na Hagedorna, natjeravši je da razmisli o svom potencijalu u primjenama koje nisu sisavci.
"Rekla je: Što možete učiniti da mi pomognete kod zametaka", prisjeća se Bischof.
To je prvotno pitanje rodilo složenu, trajnu interdisciplinarnu suradnju - onu u kojoj i Hagedorn i Bischof inzistiraju na važnosti rada drugog.
Njihovi rezultati objavljeni ovaj tjedan u časopisu ACS Nano ukazuju na to da bi ipak moglo biti moguće sigurno ugrijati zamrznute riblje embrije.
Inspiracija za njihov rad nastala je iz napora preminulog znanstvenika Petera Mazura koji je mislio da je moguće ugrijati zamrznute embrije laserom. (Da, laseri.) Iako je ideja bila zvučna, izazovna mi je, rekao mi je Hagedorn, nabaviti lasere za prijenos topline u biološki materijal. Zajedno s drugim istraživačem po imenu Fritz Kleinhans, Mazur je shvatio da bi bilo moguće uvesti u otopinu još jednu tvar s embrionom, onu koja bi uzimala toplinu od lasera i prenosila ga u biološku tvar.
U Mazurovom slučaju, to je značilo čađu u obliku indijske tinte, tvar koja dobro apsorbira i prenosi toplinu - a onu koju, kaže Kleinhans, jednostavno možete kupiti na Amazon.com. Ako se, na primjer, stavi oko zamrznutog mišjeg embrija, jedan laserski impuls mogao bi gotovo trenutno dovesti stanični materijal na sobnu temperaturu, zaobilazeći posredničku fazu zagrijavanja, gdje prijete kristali leda. Kleinhans kaže da se tijekom ranije faze rada Hagedorna nadala da će ova tehnika uspjeti i za embrije zebrafish. Jao, oni su i dalje bili preveliki, i dok su se vanjske vrućine probijale do središta, već su se formirali fatalni kristali leda.
Kako Hagedorn, Bischof i njihovi suradnici pišu u svom novom radu, postojao je još jedan način. Širenje indijske tinte na vanjsku stranu embrija možda nije dovoljno, ali što ako su unutra stavili neki drugi responzivni materijal prije zamrzavanja? Da bi to učinili naselili su se na zlatnim nanorodama - sitnim molekularnim strukturama, veličine manje od ljudske dlake - koje mikro ubrizgavaju zajedno sa sredstvima protiv smrzavanja u zametak prije konzerviranja, koristeći metode koje je Hagedorn radio prije godina.
Kao što u svom radu pišu istraživači, „Ove nanočestice mogu učinkovito stvarati toplinu kada se laserska valna duljina podudara s površinskom rezonantnom energijom plazmonske nanočestice.“ To je složen način za reći da bi nanorodi mogli apsorbirati i pojačati energiju kratkim bljeskovima svjetlosti.
Zlato, kao i mnoge druge tvari, na nanocjepljenju pokazuje drugačija svojstva nego u rasutom stanju. Dobro kalibrirani milisekundni laserski impuls može iznenada zagrijati zametak putem zlata raspoređenog po njemu, zagrijavajući ga nevjerojatnom brzinom od 1, 4 x 10 7 ° C u minuti, gotovo neuhvatljivom temperaturom koja se može kontrolirati u brzim rafalima koji zapošljavaju istraživači.
"U tom milisekundnom laseru idete od tekućeg dušika do sobne temperature", kaže Bischof. Značajno je da su, za razliku od bilo koje metode koju je Hagedorn pokušao prije, rezultati bili dovoljno vrući - i dovoljno rašireni - da mogu uspješno ponovno zagrijati cijeli embrij zebrafish odjednom.
Kad je ta barijera napokon pređena, ostala su pitanja. Ključno među njima bilo je hoće li ti embriji i dalje biti održivi. Kao što navode istraživači u svom radu, značajan dio bio je, iako ne svi. Od onih koji su se odmrznuli, 31 posto ih je učinilo samo sat vremena nakon zagrijavanja, 17 posto ih je prešlo trosatnu marku, a samo 10 posto se još razvijalo nakon 24 sata.
Iako to može zvučati malo, daleko je veća od stope preživljavanja od nula posto koje su dale ranije metode. Hagedorn se nada da će budući rad dodatno „poboljšati“ te brojeve. A ona ostaje pozitivna čak i na brojku od 10 posto. "Riba može proizvesti milijune jaja, a ako bih uspio zamrznuti 10 posto njih, to je zaista dobar broj", kaže ona.
Naravno, uhvatiti se u koštac sa milijunima jaja koja će im dodatno transformirati proces radi učinkovitosti. U ovom trenutku, velik dio tog posla pada na pleća Bischofa i drugih u njegovom laboratoriju, gdje je već u toku rad na poboljšanju „propusnosti“ procesa, što bi ga potencijalno pretvorilo u industrijski poduhvat. "Mislim da će postojati niz omogućujućih tehnologija koje će se razvijati u narednim godinama", rekao mi je.
Ako taj posao uspije, Hagedorn misli da bi to moglo imati i druge svrhe koje nadilaze skromne zebre.
"Mnogo poljoprivrednika u akvakulturi želi zamrznuti ribu [reproduktivni materijal], jer se ona mrijesti samo jednom godišnje", rekla je. "Imate takav aspekt procvata i vođenja gospodarstva na njihovim farmama. Ako biste embrije mogli izvaditi iz zamrzivača na planiraniji način, hrana bi bila jeftinija i pouzdanija. "
To također može utjecati na očuvanje divljih životinja. Hagedorn, koji danas radi prvenstveno na koralju, misli da bi nam to moglo pomoći da popravimo oštećene grebene. Ona također sugerira da bi se u konačnici mogla obnoviti populacija osiromašenih žaba, a možda i spasiti druge vrste. Bez obzira na to gdje nas rad odvodi u budućnosti, ipak svjedoči o potencijalima znanstvene suradnje danas.
"Ispočetka se nije osjećao stvarno. Ima biološkog smisla da bismo to mogli učiniti, ali činilo se kao da nikada nećemo skupiti sve komade ", rekla mi je. "Da nisam sjeo pored Johna na tom sastanku, to nikada ne bismo učinili. Bez naših zajedničkih napora - inženjerstva i biologije - to se ne bi dogodilo.
