20年以上にわたり、海洋生物学者のメアリー・ハーゲドルンは、一見扱いにくい問題に直面していました。 彼女はゼブラフィッシュの胚を凍結および解凍する方法を探していました。
重要な実験動物であるゼブラフィッシュの遺伝子は、筋ジストロフィーや黒色腫などの疾患の調査に使用されてきたほど人間の遺伝子に近いものです。 生殖物質を容易に凍結および解凍できる場合、研究者は産卵スケジュールを回避したり、遺伝的ドリフトに苦労したりする必要がないため、これらの研究は実施および複製が容易になります。
問題は魚の繁殖方法にあります。 科学者は、何十年もの間、技術用語を使用するために凍結（または凍結保存）を成功させ、多くの動物からの実行可能な精子と卵を解凍しています。 しかし、魚の卵は親の体外で発達します。これは、牛や人間の細胞で作業しているときは起こらない生理学的課題を提示します。 卵には、発生中の胚が必要とする栄養素が含まれており、それ自体の鎧もあります。つまり、これらの卵は大きく、しばしば比較的不浸透性の膜で覆われています。
簡単に言えば、魚の卵は大きすぎて通常の状況ではすぐに凍結または解凍できません。 スゲソニアン国立動物園と保全生物学研究所の種生存センターで研究生物学者として働いているハーゲドルンは、それらを惑星と比較しています。 哺乳類の卵は通常、太陽系の小さなメンバー、たとえば水星に似ています。 ゼブラフィッシュの卵は木星のような巨人に近い。
「組織を適切に凍結しないと、その中に氷の結晶が形成され、細胞に穴を開けて破壊します」とHagedornは言います。
彼女は回避策を探して12年を費やし、最終的に「凍結防止剤」（基本的には不凍液）を卵に微量注入するという新しいソリューションに着手しました。 細胞を汚染しないように適切に調整されたこれらの保護剤は、液体窒素浴に浸したときに卵が均等にガラス化する（ガラス状になる）ことを保証するのに役立ちます。
「組織を適切に凍結しないと、その中に氷の結晶が形成され、細胞に穴を開けて破壊します」と、ゼブラフィッシュの胚を凍結しようとして直面した問題についてメアリー・ハーゲドルンは言います。 （生命百科事典/バイオイメージ） このプロセスは魚の胚を効果的に一時停止したアニメーションの状態にすることができましたが、それらを再び加熱することは問題のままでした。 彼らが温まると、理想的なガラスのような状態と室温の間には氷の結晶が再び形成され始める中間点があります。 そして、これらの結晶は細胞材料を損傷し、それ以上の開発が不可能になる可能性があります。
「私たちはそれらをより速く解凍する必要がありました」とHagedornは言いました。 「2011年に使用したツールを使用します。 。 。 壁にぶつかった。」
彼女はしばらくあきらめた。
そして、ミネソタ大学の機械工学教授であるジョン・ビショフのプレゼンテーションを聞いた2013年の凍結保存会議で偶然の出会いがなかったなら、それが残っていたかもしれない。
Bischofが言うように、彼は彼の研究室が移植のために人間の組織の安全な再加温に使用した酸化鉄ナノ粒子に関連する無関係なトピックを提示していました。 彼の研究はHagedornをクリックして、非哺乳類アプリケーションの可能性について考えるよう促しました。
「彼女は言った：私は胚を助けるために何ができるか」とビショフは回想する。
その最初の質問は、複雑で進行中の学際的なコラボレーションを生み出しました。HagedornとBischofの両方が、他の仕事の重要性を主張しています。
今週のACS Nano誌に掲載された彼らの結果は、結局のところ、冷凍魚の胚を安全に再編成できる可能性があることを示しています。
彼らの研究のインスピレーションは、ピーター・マズールという亡くなった科学者の努力から来ました。彼は、凍結胚をレーザーで再武装することが可能かもしれないと考えました。 （はい、レーザー。）このアイデアは潜在的に健全でしたが、Hagedorn氏は、レーザーを使って熱を生物学的物質に伝えることは難しいと私に言いました。 しかし、Mazurは、Fritz Kleinhansという名前の別の研究者と一緒に、胚から溶液に別の物質を導入することができる可能性があることを発見しました。
Mazurの場合、それは、熱をよく吸収して伝達する物質であるインドインクの形のカーボンブラックを意味し、Kleinhansによると、Amazon.comで簡単に購入できるということです。 たとえば、凍結したマウス胚の周りに置かれた場合、単一のレーザーパルスで細胞材料をほぼ瞬時に室温に戻し、氷の結晶が形成される恐れのある中間段階の加熱をバイパスできます。 Kleinhansは、Hagedornの研究の初期の段階で、この手法がゼブラフィッシュの胚でも同様に機能することを望んでいたと言います。 残念ながら、それらはまだ大きすぎ、外部の熱が中心部に到達する頃には、致命的な氷の結晶がすでに形成されていました。
しかし、Hagedorn、Bischof、および彼らの共同研究者が新しい論文に書いているように、別の方法がありました。 胚の外側にインドのインクを広げることは十分ではなかったかもしれませんが、凍結する前に他の反応する材料を挿入したらどうでしょうか？ そうするために、彼らは金ナノロッド（人間の髪の毛よりも数桁小さい分子構造）に落ち着きました。これは不凍剤とともに保存前に胚にマイクロインジェクションし、Hagedornが数年前に考案した方法を使用します。
研究者が論文に書いているように、「これらのナノ粒子は、レーザーの波長が金ナノ粒子の表面プラズモン共鳴エネルギーと一致するときに効果的に熱を発生させることができます」。ナノロッドは短い閃光からエネルギーを吸収および増幅できると言っている複雑な方法です。
金は、他の多くの物質と同様に、ナノスケールではバルクよりも異なる特性を示します。 十分に較正されたミリ秒レーザーパルスは、全体に分布する金によって胚を突然加熱し、毎分1.4 x 10 7 °Cという驚くべき速度で再加熱します。研究者が採用しています。
「レーザーの1ミリ秒のパルスで、液体窒素から室温になります」とBischof氏は言います。 重要なことに、Hagedornが以前に試みたどの方法とも異なり、結果はゼブラフィッシュの胚全体を一度に再加熱するのに十分なほど熱く、広く分布していました。
その障壁がついに越えられ、疑問が残りました。 それらの中の鍵は、それらの胚がまだ実行可能であるかどうかでした。 研究者が論文で報告しているように、すべてではありませんが、かなりの部分がありました。 除霜したもののうち、31％が温暖化の1時間後に到達し、17％が3時間のマークを越え、24時間のマークを過ぎてもまだ10％しか成長していませんでした。
それは小さいように聞こえるかもしれませんが、それは以前の方法がもたらしたゼロパーセント生存率よりもはるかに大きいです。 Hagedornは、今後の作業がこれらの数値をさらに「強化」することを期待しています。 そして、彼女は10パーセントの数字についても前向きなままです。 「魚は何百万もの卵を産むことができます。もし私がそれらの10パーセントをうまく凍結できたら、それは本当に良い数です」と彼女は言います。
もちろん、数百万の卵と格闘するには、効率を高めるためにプロセスをさらに変換する必要があります。 この時点で、その作業の多くはBischofと彼の研究室の他の人たちの肩にかかっています。そこでは、プロセスの「スループット」を改善するための作業がすでに進行中です。 「私は、今後数年でそれに向けて開発される可能性のある多くの実現技術があると思う」と彼は私に言った。
その作業が成功した場合、Hagedornは、謙虚なゼブラフィッシュをはるかに超える他の用途があると考えています。
「水産養殖農家の多くは、魚（生殖材料）を凍結したいと思っています。なぜなら、彼らは年に一度しか産卵しないからです」と彼女は言いました。 「農場を経営する上で、このブームと不利な側面があります。 よりスケジュールされた方法で冷凍庫から胚を取り出すことができれば、食料が安くなり、信頼性が高まります。」
また、野生生物の保護にも影響を与える可能性があります。 現在主にサンゴに取り組んでいるHagedornは、損傷したサンゴ礁の修復に役立つと考えています。 彼女はまた、最終的に枯渇したカエルの個体数を回復させ、おそらく他の種も救うことができると示唆しています。 しかし、この研究が将来どこに私たちを連れて行くかに関係なく、それは今日の科学的共同研究の可能性の証拠として立っています。
「最初は正直に感じていませんでした。 それができるというのは生物学的に理にかなっていますが、すべてのピースをまとめることは決してできないように思われました」と彼女は言いました。 「その会議でジョンの隣に座っていなかったら、私たちはこれをやったことがなかっただろう。 エンジニアリングと生物学という共同の努力がなければ、これは起こりませんでした。」
