現在冷凍乾燥技術可用於儲存 DNA 和細胞訊息以用於克隆目的!

但由於成功率只有 0.2%,細胞冷凍乾燥在成為標準克隆和儲存方法之前還有很長的路要走,不過這是令人非常興奮的一步。

「維持生物多樣性是一項必不可少的任務,但使用液氮將生殖細胞作為遺傳資源儲存起來既困難又昂貴,並且在災難期間很容易被破壞,」由日本山梨大學的 Sayaka Wakayama 領導的研究人員在他們的新論文中寫道,「我們展示了冷凍乾燥的體細胞可以產生健康、可育的克隆,這表明這種技術對於建立替代、更便宜、更安全的無液氮生物庫解決方案可能很重要。」

冷凍乾燥的技術

冷凍乾燥是一個溫和但激烈的過程。想像一下,在將某物置於高壓真空室之前,將其分幾個階段冷凍,直至達到約 -80 攝氏(-112 華氏)。該過程將水變成冰,而沒有大的冰晶刺穿細胞壁,而壓力將水從固體直接變成氣體,然後從產品中吸出。這種情況會發生多次,直到該物品變得又輕又脆,但其大部分結構仍然完好無損。

冷凍乾燥主要用於食品工業,它可以保持營養和風味的完整性。它也用於醫藥產品,甚至有時用於動物標本剝製術。

一旦凍乾物品到達目的地,就可以對其進行再水化,補充水分,從而保持許多特性不變。這是一個非常簡單的過程,並且已經成功地進行了幾十年。但是對細胞這樣做,然後用於繁殖是另一回事。

到目前為止,同一個研究小組已經嘗試將冷凍乾燥的精子儲存在辦公桌抽屜(沒有溫度控制)中超過一年,在國際空間站中儲存超過 5 年。兩者都產生了可存活的後代,但成功率只有十幾個百分比。

動物克隆的應用

研究人員在他們的論文中寫道:「冷凍乾燥可能是以安全、低成本和不受地點限制的方式長期保存遺傳資源的最佳方式。然而,迄今為止,冷凍乾燥後產生後代的唯一細胞是成熟的精子。從不育雄性上收集精子和在可育雌性中收集卵母細胞/胚胎是困難的。」

克隆動物時,您需要一個具有動物所有 DNA 的非生殖細胞(稱為體細胞)。然後將這個充滿 DNA 的細胞核放入卵細胞中,稍微擺弄一下,您就可以開始培養一個新生命的過程了。

克隆並不是為未來儲存遺傳物質的最簡單方法,但它確實可以讓您擁有動物的全部遺傳物質,而不只是有在生殖細胞中的一半。

目前,用於生物庫或其他目的的體細胞和生殖細胞可以儲存在液氮中,液氮可以快速升高溫度以使細胞恢復活力。

但研究人員想了解冷凍乾燥的效果如何,因此他們使用了老鼠體細胞(在本例中為纖維母細胞和卵丘細胞),冷凍乾燥並在 -30 攝氏(-22 華氏)下保存長達 9 個月。

細胞確實死亡了,並且有一些明顯的 DNA 損傷,但研究小組設法提取了其餘的遺傳訊息並將其放入新的細胞中,這些細胞成為了早期的胚胎細胞系。

然後將這些細胞系的細胞核訊息提取並放入一個新胚胎,該胚胎能夠創造出克隆老鼠。所以是的,這不是一個完美的過程。從補水到細胞系建立,再到克隆小鼠的實際生長,每一步正確進行的時間都只有 0.2%的機率。這使得該方法比克隆羊多莉的成功機率更低,後者只有 0.4% 的機會存在。

但有一些老鼠也不是合適的克隆體,牠們由於 DNA 損傷造成了攜帶表觀遺傳異常。 在一個有趣的案例中,細胞系失去了 Y 染色體並從雄性變為雌性,因此需要做更多的研究來微調這個過程。

綜上所述,如果最終提高成功率,那麼能夠使用這種退化的細胞和 DNA 克隆動物在其他領域也將是一個福音。 隨著時間的推移,即使是保存最好的 DNA 也會退化; 如果我們想成功克隆滅絕的動物,我們需要更好地從不完整或退化的 DNA 中克隆。

這與我們現在的情況相去甚遠,但未來的發展將會很有趣。

該研究已發表在 Nature Communications 上。

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參考資料:

  1. Bowler, J.,(2022, July 5). Animals Have Been Cloned From Freeze-Dried Skin Cells in a Scientific First. ScienceAlert
  2. Wakayama, S., Ito, D., Hayashi, E., Ishiuchi, T., & Wakayama, T., (2022, July 5). Healthy cloned offspring derived from freeze-dried somatic cells. Nature Communications
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-have-cloned-mice-from-freeze-dried-skin-cells
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