במשך יותר מ 20 שנה, הביולוגית הימית מרי הגדורן התמודדה עם בעיה לכאורה בלתי נסבלת. היא חיפשה דרך להקפיא ולהפשיר את עוברי הזברה.
חיה ניסיונית חשובה, הגנים של דג הזברה, מתמצאים בקירוב עם אלה של בני אדם, כך שהם שימשו לחקר מחלות כמו ניוון שרירים ומלנומה. אם ניתן להקפיא ולהפשיר את חומר הרבייה בקלות, יהיה קל יותר לבצע ולשכפל את המחקרים הללו, מכיוון שהחוקרים לא היו צריכים להסתדר סביב לוחות זמנים של ההשרצה או להיאבק בסחף גנטי.
הצרה מסתכמת בדרך שבה הדגים מתרבים. מדענים קפאו בהצלחה - או שמרו על-ידי קריאה, כדי להשתמש במונח הטכני - והפשרו זרע וביצים קיימא מבעלי חיים רבים במשך עשרות שנים. אבל ביצי דגים מתפתחות מחוץ לגוף ההורה, אשר מציג אתגרים פיזיולוגיים שלא עולים כשאתה עובד עם תאים מבקר, או אפילו מבני אדם. הביצה מכילה את החומרים המזינים שהעובר המתפתח יזדקק להם ויש לה גם שריון משלה, כלומר ביצים אלו גדולות ולעתים קרובות עטופות בקרום אטום יחסית.
במילים פשוטות, ביצי הדגים נוטות להיות גדולות מכדי להקפיא או להפשרה במהירות בנסיבות רגילות. הגדורן - העובד כביולוג מחקר במכון לגן החיות הלאומי וביולוגיה בשימור של סמיתסוניאן - משווה אותם לכוכבי לכת. ביצי יונקים בדרך כלל דומות יותר לחברים הקטנטנים במערכת השמש שלנו - נניח, מרקורי. ביצת דג זברה קרובה יותר לענק כמו יופיטר.
"אם לא תקפיא רקמות כראוי, נוצרו בו גבישים קרח והם יחתחו את התאים וישמידו אותם", אומר דגדורן.
היא בילתה 12 שנים בחיפוש אחר דרכים לעקיפת הבעיה, ובסופו של דבר הסתפקה בפתרון חדשני שכלל מיקרו הזרקת "קריון-מגן" (נוזל לרדיאטור, בעצם) לביצים, טכניקה שאפשרה לסוכן הזה לעקוף את קרום המגן. מכוילים כראוי בכדי להימנע מהרעלת התאים, אותם מגנים יכולים לעזור להבטיח שביצית תבריא באופן שווה (תהפוך לדמויית הזכוכית) כאשר תושקע באמבטיית חנקן נוזלית.
"אם לא תקפיא רקמות כראוי, נוצרים בה גבישים קרח והם יחתחו את התאים וישמידו אותם", אומרת מרי הגדורן מהבעיה שעמדה התמודדה כשניסה להקפיא עוברים זברהיים. (אנציקלופדיה של חיים / Bioimages) בעוד שתהליך זה יכול להכניס למעשה עוברי דגים למצב של אנימציה מושעה, חימוםם לגיבוי שוב נותרה בעיה. כשהם מתחממים, יש נקודת ביניים בין המצב האידיאלי לזכוכית לבין טמפרטורת החדר שבה גבישים קרח יכולים להתחיל להיווצר שוב. והגבישים הללו עלולים לפגוע בחומר הסלולרי ולהשאיר אותו לא מסוגל להמשיך להתפתח.
"היינו צריכים להפשיר אותם הרבה יותר מהר, " אמר הגדורן. "השימוש בכלים שהיו לנו בשנת 2011. . . פגעתי בקיר. "
זמן מה היא ויתרה.
וככה יתכן והדברים נותרו אלמלא מפגש מקרי בכנס לשימור קריאה מתישהו בשנת 2013, שם שמעה מצגת של ג'ון בישוף, פרופסור להנדסת מכונות מאוניברסיטת מינסוטה.
כדברי בישוף, הוא הציג נושא שאינו קשור לכלול חלקיקים של חלקיקי תחמוצת ברזל, שהמעבדה שלו השתמשה בהתחממות בטוחה של רקמות אנושיות לצורך השתלה. המחקר שלו לחץ על הגדורן, מה שהניע אותה לחשוב על הפוטנציאל שלו ליישומים שאינם יונקים.
"היא אמרה: מה אתה יכול לעשות כדי לעזור לי עם העוברים", נזכר בישוף.
השאלה ההתחלתית ההיא הולידה שיתוף פעולה מורכב ומתמשך בין תחומי - שאלה שבה הגדורן וגם בישוף מתעקשים על חשיבות עבודתו של האחר.
תוצאותיהם, שפורסמו השבוע בכתב העת ACS Nano, מעידות כי יתכן ויהיה אפשר להתחמם בבטחה בעוברי דגים קפואים.
ההשראה לעבודתם הגיעה ממאמציו של מדען שנפטר עתה בשם פיטר מזור שחשב שאפשר יהיה לחמם מחדש עוברים קפואים בעזרת לייזרים. (כן, לייזרים.) בעוד שהרעיון פוטנציאלי נשמע, זה מאתגר, אמר לי הגרדורן, להביא לייזרים שיעבירו חום לחומר ביולוגי. יחד עם חוקר אחר בשם פריץ קלייןנהנס, לעומת זאת, מצא מזור שאפשר יהיה להכניס חומר נוסף לפיתרון עם העובר, כזה שיאסוף חום מהלייזר ויעביר אותו לחומר הביולוגי.
במקרה של מזור, פירוש הדבר היה שחור פחמן בצורת דיו בהודו, חומר הסופג ומעביר חום היטב - ואחד כזה, לדברי קלינהנס, אתה יכול פשוט לקנות באמזון. אם זה היה ממוקם סביב עובר עכבר קפוא, למשל, דופק לייזר בודד יכול היה להביא באופן מיידי את החומר הסלולרי לטמפרטורת החדר, ולעקוף את שלב ההתחממות הביניים בו גבישים קרח מאיימים להיווצר. קלינהנס מספרת שבשלב הקודם של עבודתו של הגדורן קיוותה שהטכניקה עשויה לעבוד גם עבור עוברי דג הזברה. למרבה הצער, הם עדיין היו גדולים מדי, וכאשר החום החיצוני עשה את דרכו למרכז כבר נוצרו גבישי קרח קטלניים.
כפי שהגדורן, בישוף ומשתפי הפעולה שלהם כותבים בעיתון החדש שלהם, עם זאת, הייתה דרך אחרת. הפצת דיו בהודו בחלק החיצוני של העובר אולי לא הספיקה, אבל מה אם היו מכניסים חומר מגיב אחר לפני הקפאתו? לשם כך, הם התיישבו על ננו-זרעי זהב - מבנים מולקולריים זעירים, סדרי גודל קטנים יותר משיער אנושי - אותם הם מזריקים יחד עם סוכני נוזל לרדיאטור בעובר לפני השימור, תוך שימוש בשיטות שהגדורן עבד שנים קודם לכן.
כפי שכתבו החוקרים במאמרם, "חלקיקים אלה יכולים לייצר חום באופן יעיל כאשר אורך הגל של הלייזר תואם את פני השטח של ננו-חלקיק הזהב מאנרגיית התהודה של פלסמון." זוהי דרך מסובכת לומר שהננוורודים יכולים לספוג ולהגביר את האנרגיה מהבזק אור קצר.
זהב, כמו חומרים רבים אחרים, מציג תכונות שונות על הננומטרי מאשר בכמויות גדולות. דופק לייזר מכויל היטב של אלפיות השנייה, יכול לפתע לחמם עובר באמצעות הזהב המופץ בכל אורכו, לחמם אותו בקצב המדהים של 1.4 על 10 7 מעלות צלזיוס לדקה, טמפרטורה כמעט בלתי ניתנת לשליטה הניתנת לטיפול בפרצים המהירים ש החוקרים מעסיקים.
"בדופק של אלפיות השנייה של הלייזר אתה עובר מחנקן נוזלי לטמפרטורת החדר", אומר בישוף. באופן משמעותי, בשונה מכל שיטה שהגדורן ניסה לפני כן, התוצאות היו מספיק חמות - והופצו מספיק - כדי לחמם בהצלחה עובר שלם דג זרע בבת אחת.
עם מעבר המחסום הזה, נותרו שאלות. המפתח ביניהם היה האם העוברים הללו עדיין יהיו בר-קיימא. כפי שמדווחים החוקרים במאמרם, חלק משמעותי היה, אם כי לא כולם. מבין אלה שהפשירו, 31 אחוזים הגיעו לשעה רק לאחר ההתחממות, 17 אחוזים חצו את סימן שלוש השעות, ורק 10 אחוזים עדיין התפתחו לאחר סימן 24 השעות.
למרות שזה נשמע קטן, הוא גדול בהרבה משיעור ההישרדות באפס אחוז שהניבו שיטות קודמות. הגדורן מקווה שעבודה עתידית "תשפר" את המספרים הללו עוד יותר. והיא נותרה חיובית אפילו לגבי הנתון של 10 אחוזים. "דג יכול לייצר מיליוני ביצים, ואם הייתי מקפיא בהצלחה 10 אחוז מאלו, זה מספר ממש טוב, " היא אומרת.
כמובן שהתמודדות עם מיליוני ביצים תידרש להפוך את התהליך ליעילות נוספת. בשלב זה, חלק גדול מהעבודה הזו נופלת על כתפיו של בישוף ואחרים במעבדתו, שם כבר נערכת עבודה לשיפור "התפוקה" של התהליך, ועלולה להפוך אותו למאמץ תעשייתי יותר. "אני חושב שיהיו מספר טכנולוגיות המאפשרות לפתח לקראת כך בשנים הבאות, " הוא אמר לי.
אם העבודה הזו תצליח, הגדורן חושב שיכולים להיות לה שימושים אחרים שהם הרבה מעבר לדג הזברה הצנוע.
"הרבה חקלאים בחקלאות עופות רוצים להקפיא דגים [חומר רבייה], מכיוון שהם שרצים רק פעם בשנה", אמרה. "יש לך היבט בום וחזה זה בניהול החוות שלהם. אם הייתם יכולים להוציא את העוברים מהמקפיא בצורה יותר מתוכננת, זה היה הופך את האוכל לזול יותר ואמין יותר. "
זה עשוי להשפיע גם על שימור חיות הבר. הגדורן, שעובד בעיקר כיום על אלמוגים, חושב שזה עשוי לעזור לנו לתקן שוניות פגומות. היא גם מציעה שזה יכול בסופו של דבר לשחזר אוכלוסיות צפרדעים מדוללות, ואולי גם להציל מינים אחרים. לא משנה לאן העבודה לוקחת אותנו בעתיד, אולם היא מהווה עדות לפוטנציאל של שיתוף פעולה מדעי בימינו.
"בהתחלה זה לא הרגיש באמת. זה הגיוני ביולוגית שנוכל לעשות את זה, אבל נראה שלעולם לא נקבץ את כל החלקים ביחד, "אמרה לי. "אם לא הייתי מתיישב ליד ג'ון באותה פגישה, לעולם לא היינו עושים זאת. ללא המאמצים המשותפים שלנו - ההנדסה והביולוגיה - זה לא היה קורה. "
