Selama lebih dari 20 tahun, ahli biologi marin Mary Hagedorn menghadapi masalah seolah-olah sukar dikawal. Dia sedang mencari jalan untuk membekukan dan menyerap embrio zebrafish.
Haiwan eksperimen yang penting, gen zebrafish menghampiri manusia yang cukup rapat yang telah digunakan untuk menyiasat penyakit seperti distrofi otot dan melanoma. Sekiranya bahan pembiakan dapat dibekukan dan diburukkan, kajian-kajian ini lebih mudah dilakukan dan ditiru, kerana penyelidik tidak perlu bekerja di sekitar jadual pemijahan atau perjuangan menentang aliran genetik.
Masalahnya ialah cara membiak ikan. Para saintis telah berjaya membekukan-atau cryopreserving, untuk menggunakan istilah teknikal-dan menguraikan sperma dan telur yang berdaya maju dari banyak haiwan selama beberapa dekad. Tetapi telur ikan berkembang di luar tubuh ibu bapa, yang memberikan cabaran fisiologi yang tidak muncul ketika anda bekerja dengan sel-sel dari ternak, atau bahkan manusia. Telur mengandungi nutrien yang memerlukan embrio berkembang dan juga memiliki perisai sendiri, yang bermaksud bahawa telur-telur itu besar dan sering terbungkus dalam membran yang agak telap.
Untuk meletakkannya dengan mudah, telur ikan cenderung terlalu besar untuk membekukan atau membuang air dengan cepat dalam keadaan biasa. Hagedorn-yang bekerja sebagai ahli biologi penyelidikan dengan Pusat Kebangsaan Zoo dan Pemuliharaan Biologi Kebangsaan untuk Pemuliharaan Spesies Smithsonian-membandingkannya dengan planet-planet. Telur mamalia biasanya lebih mirip dengan ahli-ahli sistem suria kami-mengatakan, Merkurius. Telur zebrafish lebih dekat dengan gergasi seperti Musytari.
"Jika anda tidak membekukan tisu dengan betul, kristal ais akan terbentuk di dalamnya dan mereka akan menembusi sel-sel dan memusnahkannya, " kata Hagedorn.
Dia menghabiskan masa selama 12 tahun untuk mencari jalan penyelesaian, akhirnya menyelesaikan penyelesaian baru yang melibatkan microinjecting "cryoprotectant" (antifreeze, pada dasarnya) ke dalam telur, teknik yang membolehkan agen itu memintas membran pelindung. Dengan tepat dikalibrasi untuk mengelakkan keracunan sel-sel, mereka yang melindungi boleh membantu memastikan bahawa telur akan sama rata vitrify (menjadi seperti kaca) apabila ia dilembapkan ke dalam mandi nitrogen cecair.
"Jika anda tidak membekukan tisu dengan betul, kristal ais akan terbentuk di dalamnya dan mereka akan menembus sel-sel dan memusnahkannya, " kata Mary Hagedorn mengenai masalah yang dihadapi dia cuba membekukan embrio zebrafish. (Ensiklopedia Kehidupan / Bioimages) Walaupun proses itu dengan berkesan dapat meletakkan embrio ikan ke dalam keadaan animasi yang digantung, pemanasan mereka kembali lagi menjadi masalah. Ketika mereka hangat, ada titik perantara di antara keadaan kaca seperti ideal dan suhu bilik di mana kristal ais boleh mula terbentuk semula. Dan kristal-kristal tersebut boleh merosakkan bahan selular, menjadikannya tidak mampu pembangunan selanjutnya.
"Kita perlu mencairkannya lebih cepat, " kata Hagedorn. "Menggunakan alat yang kami ada pada tahun 2011. . . Saya memukul dinding. "
Untuk sementara waktu dia berputus asa.
Dan begitulah keadaan yang mungkin berlaku bukan untuk pertemuan peluang pada persidangan cryopreservation pada tahun 2013 di mana dia mendengar persembahan oleh John Bischof, seorang profesor kejuruteraan mekanikal di University of Minnesota.
Sebagai Bischof menceritakannya, beliau telah membentangkan topik yang tidak berkaitan yang melibatkan nanopartikel oksida besi, yang makmalnya digunakan dalam penyembuhan semula tisu manusia untuk pemindahan. Penyelidikan beliau mengklik dengan Hagedorn, mendorongnya untuk memikirkan kemungkinannya untuk aplikasi bukan mamalia.
"Dia berkata: Apa yang boleh anda lakukan untuk membantu saya dengan embrio, " ulang Bischof.
Persoalan awal itu melahirkan satu kolaborasi interdisipliner yang kompleks dan berterusan-di mana kedua-dua Hagedorn dan Bischof menegaskan kepentingan pekerjaan orang lain.
Hasilnya, yang diterbitkan minggu ini dalam jurnal ACS Nano menunjukkan bahawa ia mungkin dapat menyusun kembali embrio ikan beku dengan selamat.
Inspirasi untuk kerja mereka datang dari usaha saintis yang kini meninggal bernama Peter Mazur yang menganggap mungkin untuk menyusun kembali embrio beku dengan laser. (Ya, laser.) Walaupun idea itu berpotensi kukuh, ia mencabar, Hagedorn memberitahu saya, untuk mendapatkan laser untuk menyampaikan haba kepada bahan biologi. Bersama dengan seorang penyelidik yang bernama Fritz Kleinhans, bagaimanapun, Mazur mendapati bahawa mungkin untuk memperkenalkan bahan lain ke dalam penyelesaian dengan embrio, yang akan mengambil haba dari laser dan memindahkannya ke masalah biologi.
Dalam kes Mazur, ini bermakna karbon hitam dalam bentuk dakwat India, bahan yang menyerap dan menyampaikan haba dengan baik-dan yang itu, kata Kleinhans, anda hanya boleh membeli di Amazon.com. Jika ia diletakkan di sekitar embrio tetikus beku, sebagai contoh, denyut laser tunggal hampir boleh membawa bahan selular ke suhu bilik, memasuki fasa perantara pemanasan di mana kristal ais mengancam untuk membentuk. Kleinhans mengatakan bahawa semasa fase awal kerja Hagedorn dia berharap teknik ini dapat berfungsi untuk embrio zebrafish juga. Malangnya, mereka masih terlalu besar, dan pada masa panas di luarnya menuju ke tengah, kristal-kristal ais maut telah terbentuk.
Oleh kerana Hagedorn, Bischof, dan kolaborator mereka menulis dalam kertas baru mereka, bagaimanapun, ada cara lain. Menyebarkan dakwat India di luar embrio mungkin tidak mencukupi, tetapi bagaimana jika mereka memasukkan bahan respons yang lain sebelum pembekuan? Untuk berbuat demikian, mereka menetap struktur nanorods-minuscule struktur emas, pesanan magnitud yang lebih kecil daripada rambut manusia-yang mereka gunakan bersama-sama dengan agen antibeku ke dalam embrio sebelum pemeliharaan, menggunakan kaedah Hagedorn telah bertahun-tahun sebelumnya.
Seperti yang ditulis oleh para penyelidik dalam karya mereka, "Nanopartikel ini dapat menjana haba dengan berkesan apabila panjang gelombang laser sepadan dengan daya resonans plasmon permukaan nanopartikel emas." Itu adalah cara yang rumit untuk mengatakan nanorods dapat menyerap dan menguatkan tenaga dari kilat cahaya ringkas.
Emas, seperti bahan-bahan lain, mempamerkan sifat-sifat yang berbeza pada nanoscale daripada yang dilakukan secara pukal. Satu denyut nadi laser milisaat yang baik boleh tiba-tiba memanaskan embrio dengan cara emas tersebar di seluruhnya, memanaskan semula pada kadar yang mengagumkan sebanyak 1.4 x 10 7 ° C seminit, suhu yang hampir tidak dapat diukur yang terkawal di dalam pecah cepat itu penyelidik menggunakan.
"Dalam satu nadi milisaat laser itu, anda akan keluar dari nitrogen cecair ke suhu bilik, " kata Bischof. Secara ketara, tidak seperti mana-mana kaedah yang telah dilakukan oleh Hagedorn sebelum ini, hasilnya cukup panas-dan cukup banyak diedarkan-untuk berjaya memanaskan sepenuhnya embrio zebrafish sekaligus.
Dengan halangan itu akhirnya menyeberang, soalan kekal. Yang penting di antara mereka adalah sama ada embrio itu masih boleh dikekalkan. Seperti yang dilaporkan oleh penyelidik di dalam kertas mereka, sebahagian besar adalah, walaupun tidak semua. Daripada jumlah yang mereka buang, 31 peratus membuatnya hanya sejam selepas pemanasan, 17 peratus menyeberangi tanda selama tiga jam, dan hanya 10 peratus yang masih berkembang selepas tanda 24 jam.
Walaupun ia mungkin kecil, ia jauh lebih besar daripada kadar survival sifar peratus yang kaedah terdahulu telah menghasilkan. Hagedorn berharap kerja masa depan akan "meningkatkan" nombor-nombor selanjutnya. Dan dia tetap positif walaupun angka 10 peratus. "Ikan boleh menghasilkan berjuta-juta telur, dan jika saya berjaya membekukan 10 peratus daripada mereka, itu nombor yang sangat baik, " katanya.
Sudah tentu, bergelut dengan berjuta-juta telur akan memerlukan mereka mengubah proses untuk kecekapan. Pada ketika ini, kebanyakan kerja itu jatuh pada bahu Bischof dan yang lain di dalam makmalnya, di mana kerja sedang berjalan untuk memperbaiki "proses" proses itu, yang berpotensi mengubahnya menjadi usaha yang lebih banyak industri. "Saya fikir akan ada beberapa teknologi yang membolehkannya dibangunkan pada tahun-tahun akan datang, " katanya kepada saya.
Sekiranya kerja itu berjaya, Hagedorn berpendapat ia boleh menggunakan kegunaan lain yang jauh melebihi zebrafish yang rendah hati.
"Banyak petani akuakultur mahu membekukan ikan [bahan pembiakan], kerana mereka hanya bertelur sekali setahun, " katanya. "Anda mempunyai lonjakan dan aspek bust untuk menjalankan ladang mereka. Jika anda boleh mengambil embrio keluar dari peti sejuk dengan cara yang lebih teratur, ia akan menjadikan makanan lebih murah dan lebih dipercayai. "
Ia juga mungkin memberi kesan kepada pemuliharaan hidupan liar. Hagedorn, yang bekerja terutamanya pada karang hari ini, fikir ia mungkin membantu kami membaiki karang yang rosak. Dia juga mencadangkan bahawa ia akhirnya boleh memulihkan populasi katak yang berkurangan, dan mungkin menyelamatkan spesies lain juga. Tidak kira di mana kerja itu membawa kita di masa depan, walau bagaimanapun, ia menjadi bukti perjanjian potensial kerjasama saintifik hari ini.
"Pada mulanya ia tidak merasa benar. Ia menjadikan akal biologi bahawa kita boleh melakukannya, tetapi seolah-olah kita tidak akan mendapat semua keping bersama, "katanya kepada saya. "Sekiranya saya tidak duduk di sebelah John di mesyuarat itu, kami tidak akan melakukan ini. Tanpa usaha bersama kami-kejuruteraan dan biologi-ini tidak akan berlaku. "
