I mer enn 20 år sto marinbiolog Mary Hagedorn overfor et tilsynelatende ufravikelig problem. Hun lette etter en måte å fryse og tine embryoene fra sebrafisk.
Et viktig forsøksdyr, sebrafiskgener tilnærmer seg menneskene tett nok til at de har blitt brukt til å undersøke sykdommer som muskeldystrofi og melanom. Hvis reproduktivt materiale lett kunne fryses og avrimes, ville disse studiene være lettere å utføre og gjenskape, siden forskere ikke ville trenge å arbeide rundt gyteplaner eller kjempe mot genetisk drift.
Problemet kommer ned på måten fisk reproduserer. Forskere har fryset - eller kryopreservering, for å bruke den tekniske betegnelsen - og avriming levedyktige sæd og egg fra mange dyr i flere tiår. Men fiskeegg utvikler seg utenfor foreldrenes kropp, som byr på fysiologiske utfordringer som ikke dukker opp når du jobber med celler fra storfe, eller til og med mennesker. Egget inneholder næringsstoffene som det utviklende embryoet trenger, og har også en egen rustning, noe som betyr at eggene er store og ofte innkapslet i en relativt ugjennomtrengelig membran.
For å si det enkelt, fiskene har en tendens til å være for store til å fryse eller tine raskt under vanlige omstendigheter. Hagedorn - som jobber som forskningsbiolog ved Smithsonian's National Zoo and Conservation Biology Institute's Center for Species Survival - sammenligner dem med planeter. Pattedyr egg er vanligvis mer som de tynneste medlemmene i solsystemet vårt - si, Merkur. Et sebrafiskegg er nærmere en gigant som Jupiter.
"Hvis du ikke fryser vev ordentlig, vil det danne seg iskrystaller i det og de vil stikke hull i cellene og ødelegge dem, " sier Hagedorn.
Hun brukte 12 år på leting etter en løsning, og til slutt slo seg ned på en ny løsning som innebar mikroinjeksjon av en "kryoprotektant" (en frostvæske, i utgangspunktet) i eggene, en teknikk som gjorde det middelet til å omgå den beskyttende membranen. Korrekt kalibrert for å unngå forgiftning av cellene, kunne disse beskyttelsesmidlene bidra til å sikre at et egg ville jevnt forvitre (bli glasslignende) når det ble dunket ned i et flytende nitrogenbad.
"Hvis du ikke fryser vev ordentlig, vil det danne seg iskrystaller i det og de vil stikke hull i cellene og ødelegge dem, " sier Mary Hagedorn om problemet hun sto overfor ved å fryse sebrafiskembryoer. (Encyclopedia of Life / Bioimages) Mens denne prosessen effektivt kunne sette fiskeembryoer i en tilstand av suspendert animasjon, forble det å oppvarme dem igjen. Når de varmer, er det et mellomliggende punkt mellom den ideelle glasslignende tilstand og romtemperatur der iskrystaller kan begynne å danne seg igjen. Og disse krystallene kan skade det cellulære materialet, slik at det ikke er i stand til videre utvikling.
"Vi trengte å tine dem mye raskere, " sa Hagedorn. “Å bruke verktøyene vi hadde i 2011. . . Jeg traff en vegg. ”
En stund ga hun opp.
Og det var slik ting kunne ha forblitt, hvis det ikke var for et tilfeldig møte på en kryokonserveringskonferanse en gang i 2013 hvor hun hørte en presentasjon av John Bischof, professor i maskiningeniør ved University of Minnesota.
Som Bischof forteller det, hadde han presentert for et ikke-relatert emne som involverer nanopartikler av jernoksid, som laboratoriet hans har brukt i sikker oppvarming av menneskelig vev til transplantasjon. Forskningen hans klikket med Hagedorn, og fikk henne til å tenke på potensialet for applikasjoner som ikke er pattedyr.
"Hun sa: Hva kan du gjøre for å hjelpe meg med embryoene, " husker Bischof.
Det første spørsmålet fødte et sammensatt, pågående tverrfaglig samarbeid - ett der både Hagedorn og Bischof insisterer på viktigheten av den andres arbeid.
Resultatene deres, som ble publisert denne uken i tidsskriftet ACS Nano, indikerer at det tross alt kan være mulig å varme opp frosne fiskembryoer trygt.
Inspirasjonen til arbeidet deres kom fra innsatsen fra en nå avdød vitenskapsmann ved navn Peter Mazur som trodde det kunne være mulig å varme opp frosne embryoer med lasere. (Ja, lasere.) Mens ideen potensielt var lyd, er den utfordrende, sa Hagedorn til meg, å få lasere til å overføre varme til biologisk materiale. Sammen med en annen forsker ved navn Fritz Kleinhans, fant Mazur imidlertid ut at det kan være mulig å introdusere et annet stoff i løsningen med embryoet, et som ville hente varme fra laseren og overføre det til det biologiske stoffet.
I tilfelle av Mazur betydde det at kullsvart i form av India-blekk, et stoff som absorberer og formidler varme godt - og et som, sier Kleinhans, ganske enkelt kan du kjøpe på Amazon.com. Hvis det for eksempel ble plassert rundt et frossent musembryo, kunne en enkelt laserpuls nærmest øyeblikkelig bringe det cellulære materialet til romtemperatur, ved å omgå mellomvarmingsfasen der iskrystaller truer å danne. Kleinhans forteller at hun i den tidligere fasen av Hagedorns arbeid hadde håpet at teknikken også kunne fungere for sebrafiskembryoer. Akk, de var fremdeles for store, og da den ytre varmen tok veien til sentrum, døde allerede dødelige iskrystaller.
Som Hagedorn, Bischof og deres samarbeidspartnere skriver i sin nye artikkel, var det imidlertid en annen måte. Å spre India-blekk på utsiden av embryoet har kanskje ikke vært nok, men hva om de satte inn noe annet responsivt materiale før de fryser? For å gjøre det slo de seg ned på nanoroder i gull - molekylære molekylstrukturer, størrelsesordener mindre enn et menneskehår - som de mikroinjiserte sammen med frostvæske i embryoet før konservering, ved å bruke metodene Hagedorn hadde utarbeidet år før.
Som forskerne skriver i papiret, “Disse nanopartiklene kan effektivt generere varme når laserbølgelengden samsvarer med gullnanopartikkelens overflateplasmonresonansenergi.” Det er en komplisert måte å si at nanorodene kan absorbere og forsterke energien fra en kort lysglimt.
Gull, som mange andre stoffer, har forskjellige egenskaper på nanoskalaen enn det gjør i bulk. En godt kalibrert millisekunders laserpuls kan plutselig varme opp et embryo ved hjelp av gullet fordelt gjennom det, gjenoppvarme det med en forbløffende hastighet på 1, 4 x 10 7 ° C i minuttet, en nesten uutgjørelig temperatur som er håndterbar i de raske utbruddene som forskerne ansetter.
"I den ene millisekundspulsen av laseren går du fra flytende nitrogen til romtemperatur, " sier Bischof. I motsetning til noen metode Hagedorn hadde forsøkt tidligere, var resultatene varme nok - og distribuert nok - til å lykkes med å oppvarme et helt sebrafiskembryo på en gang.
Med den barrieren endelig krysset, forble spørsmål. Nøkkelen blant dem var om disse embryoene fremdeles ville være levedyktige. Som forskerne rapporterer i papiret, var en betydelig del, men ikke alle. Av de som de har avrimet, gjorde 31 prosent det bare en time etter oppvarmingen, 17 prosent krysset tre timersmerket, og bare 10 prosent utviklet seg fortsatt etter 24-timersmerket.
Selv om det kan høres lite ut, er det langt større enn nullprosentens overlevelsesrate som tidligere metoder hadde gitt. Hagedorn håper at fremtidig arbeid vil "forbedre" antallet ytterligere. Og hun er fortsatt positiv til og med 10 prosent-tallet. "En fisk kan produsere millioner av egg, og hvis jeg skulle fryse 10 prosent av dem, er det et veldig bra antall, " sier hun.
Selvfølgelig vil kamper med millioner av egg kreve at de videreforandrer prosessen for effektivitet. På dette tidspunktet faller mye av det arbeidet på skuldrene til Bischof og andre i laboratoriet hans, der det allerede arbeides for å forbedre "gjennomstrømningen" av prosessen, og potensielt gjøre den til en mer industriell innsats. "Jeg tror det kommer til å være en rekke muliggjørende teknologier som skal utvikles mot det i løpet av de kommende årene, " sa han til meg.
Hvis det arbeidet lykkes, tror Hagedorn det kan ha andre bruksområder som går langt utover den ydmyke sebrafisken.
"Mange oppdrettsbønder vil fryse fisk [forplantningsstoff], fordi de bare gyter en gang i året, " sa hun. “Du har dette boom-og-byste-aspektet når det gjelder å drive gårdene sine. Hvis du kunne ta embryoene ut av fryseren på en mer planlagt måte, ville det gjort maten billigere og mer pålitelig. ”
Det kan også ha innvirkning på bevaring av dyreliv. Hagedorn, som i dag primært jobber med koraller, tror det kan hjelpe oss med å reparere skadede skjær. Hun antyder også at det til slutt kan gjenopprette uttømmede froskepopulasjoner, og kanskje redde andre arter også. Uansett hvor arbeidet tar oss i fremtiden, står det imidlertid som et vitnesbyrd om potensialet i vitenskapelig samarbeid i dag.
”Til å begynne med føltes det ærlig ikke. Det gir biologisk mening at vi kunne gjøre det, men det virket som om vi aldri ville samle alle brikkene, ”fortalte hun. “Hvis jeg ikke hadde satt meg ved siden av John på det møtet, hadde vi aldri gjort dette. Uten vår felles innsats - prosjektering og biologi - ville dette ikke skjedd. "
