دانشمندان برای نخستین‌ بار از روی سلول‌های غیرزایشی منجمدشده موفق‌ به شبیه‌سازی موش شدند

فرایند خشک کردن انجمادی مزایای شناخته‌شده‌ی زیادی به همراه دارد و پژوهشگران اخیراً با اتکا بر این روش توانسته‌اند کار بزرگی انجام دهند. خشک کردن انجمادی گزینه‌های غذایی متنوع‌تری دردسترس فضانوردان قرار می‌دهد و به‌لطف آن می‌توانیم توت‌فرنگی‌هایی با پوشش شکلاتی درست کنیم. براساس آنچه ساینس‌آلرت می‌نویسد، پژوهشگران متوجه شده‌اند که می‌توان از تکنیک خشک کردن انجمادی به‌منظور ذخیره‌ی اطلاعات DNA و سلول با هدف شبیه‌سازی (همسانه‌سازی) استفاده کرد.

خشک کردن انجمادی سلول‌ها نرخ موفقیت بسیار پایینی دارد (۰٫۲ درصد) و به‌این‌زودی‌ها نمی‌تواند تبدیل به یک استراتژی استاندارد برای شبیه‌سازی و ذخیره‌ی اطلاعات سلول شود. بااین‌حال پیشرفت‌های اخیر در این زمینه بسیار هیجان‌انگیز است.

پژوهشگران به هدایت سایاکا واکیاما، از دانشگاه یاماناشی ژاپن در مقاله‌ای جدید می‌نویسند: «حفظ تنوع زیستی اقدامی اساسی است، بااین‌حال ذخیره‌سازی سلول‌های زایشی با استفاده از نیتروژن مایع به‌عنوان منابع ژنتیکی، دشوار و هزینه‌بر و تمامی دستاوردها ممکن است به هنگام بروز بلایای طبیعی به‌راحتی از بین بروند.»

پژوهشگران در ادامه‌ی مقاله می‌گویند: «اینجا ما نشان می‌دهیم که سلول‌های سوماتیکِ (پیکری) خشک‌شده به روش انجمادی می‌توانند کلون‌هایی سالم و بارور تولید کنند. نتایج بررسی‌های ما نشان می‌دهد که احتمالاً این تکنیک می‌تواند به ایجاد راهکارهایی جایگزین، ارزان‌تر و ایمن‌تر از نیتروژن مایع برای ساخت بانک‌های اطلاعات پزشکی (بیوبانک) منتهی شود.»

خشک کردن انجمادی فرآیندی تدریجی و البته شدید و طاقت‌فرسا است. پژوهشگران در این روش، چیزهای مختلف (مثل غذا) را در چند مرحله منجمد می‌کنند تا دمایشان به حدوداً ۸۰- درجه‌ی سانتی‌گراد برسد و سپس آن‌ها را درون یک مخزن خلأ با فشار بالا قرار می‌دهند. فرایند خشک کردن انجمادی به‌گونه‌ای آب را به یخ تبدیل می‌کند که کریستال‌های بزرگ یخی دیواره‌ی سلول‌ها را سوراخ نکنند. در همین حین، فشار، آب را مستقیما از حالت جامد به گاز تبدیل می‌کند و سپس گاز ایجادشده به بیرون مکیده می‌شود. این فرایند چند بار انجام می‌شود تا محصول مدنظر سبک و شکننده شود، اما حتی در این حالت نیز بخش اعظم ساختار محصول دست‌نخورده باقی می‌ماند.

خشک کردن انجمادی غالباً در صنعت غذا مورد استفاده قرار می‌گیرد و باعث می‌شود مواد مغذی و طعم غذاها تغییر نکند. از این تکنیک برای محصولات دارویی و گاهی اوقات تاکسیدرمی نیز استفاده می‌شود. وقتی فرایند خشک کردن انجمادی به پایان برسد، بعدا دانشمندان می‌توانند دوباره فرایند آبرسانی انجام دهند بدون این‌که خواص محصول تغییر کند. این فرایندی بسیار ساده محسوب می‌شود و دهه‌ها است که با موفقیت به انجام می‌رسد. بااین‌حال خشک کردن انجمادی و آبرسانی مجدد سلول‌ها با هدف تولید مثل آن‌ها، داستان کاملاً متفاوتی است.

همین گروه از پژوهشگران آزمایش‌های مختلفی با محوریت خشک کردن انجمادی انجام داده‌اند. در یک آزمایش، آن‌ها اسپرمی را که به روش انجمادی خشک شده بود به مدت بیش از یک سال بدون کنترل دما در داخل کشوی میز قرار دادند. آن‌ها همچنین اسپرم‌های این چنینی را به مدت پنج سال در ایستگاه فضایی بین‌المللی قرار دادند. هر دوی این اسپرم‌ها در نهایت توانستند فرزندانی زنده تولید کنند. البته درصد موفقیت این آزمایش در نوجوانان بیشتر بود.

پژوهشگران در مقاله‌ی خود اعلام کردند: «خشک کردن انجمادی می‌تواند بهترین راهکار ممکن برای حفظ بلندمدت منابع ژنتیکی به روشی ایمن، کم‌هزینه و مستقل از مکان باشد. بااین‌حال تاکنون تنها سلول‌هایی که پس از گذراندن فرایند خشک شدن انجمادی توانسته‌اند فرزند تولید کنند، اسپرماتوزواهای بالغ بوده‌اند. جمع‌آوری اسپرماتوزوا از نرهای نابارور و همچنین جمع‌آوری اووسیت یا رویان از ماده‌های نابارور مشکل است.»

به هنگام شبیه‌سازی حیوانات به یک سلول غیر زایا (که به آن سلول سوماتیک نیز گفته می‌شود) نیاز دارید که تمام DNA حیوان را در خود داشته باشد. این سلول هسته‌دار را که با DNA پر شده است می‌توان وارد سلول تخمک کرد و پس از انجام یک‌سری کارهای خاص، روند به دنیا آمدن فرزند شروع می‌شود.

شبیه‌سازی ساده‌ترین راه برای ذخیره‌سازی مواد ژنتیکی با هدف استفاده در آینده نیست، اما ذخیره‌ی تمام مواد ژنتیکی هر حیوان را امکان‌پذیر می‌کند. این در حالی است که سلول‌های زایا شامل تنها نیمی از مواد ژنتیکی هستند. درحال‌حاضر سلول‌های سوماتیک و سلول‌های زایا را می‌توان در نیتروژن مایع ذخیره کرد. می‌توان دمای نیتروژن مایع را سریعاً افزایش داد تا سلول‌ها به زندگی برگردند.

بااین‌حال پژوهشگران می‌خواستند بفهمند که سلول‌های خشک شده به روش انجمادی چه عملکردی از خود بر جای می‌گذارند. در همین راستا پژوهشگران سراغ سلول‌های سوماتیک موش (به‌طور دقیق‌تر، فیبروبلاست‌ها و سلول‌های کومولوس) رفتند، آن‌ها را به روش انجمادی خشک کردند و سپس سلول‌ها را به مدت ۹ ماه در دمای ۳۰- درجه‌ی سانتی‌گراد نگه داشتند.

پس از خشک کردن انجمادی همان‌طورکه می‌شد انتظار داشت سلول‌ها مردند و آسیب قابل‌توجهی به DNA وارد شد، بااین‌حال پژوهشگران موفق شدند سایر اطلاعات ژنتیکی باقی‌مانده را استخراج و وارد سلول‌هایی جدید کنند. سلول‌های جدید به سلول جنینی اولیه تبدیل شدند. پژوهشگران سپس اطلاعات هسته‌ی این سلول‌های جدید را نیز استخراج و وارد سلول جنینی جدیدتری کردند؛ این سلول توانست موش شبیه‌سازی‌شده را خلق کند.

همان‌طورکه احتمالاً تاکنون متوجه شده‌اید، شبیه‌سازی با خشک کردن انجمادی روشی ساده و کاملاً بی‌نقص نیست و تنها در ۰٫۲ درصد مواقع تمامی این فرایند (از آبرسانی مجدد تا ایجاد سلول‌های جدید و سپس رشد دادن موشِ شبیه‌سازی‌شده) به درستی انجام شد. این موضوع باعث شد نرخ موفقیت شبیه‌سازی موش موردبحث حتی کمتر از نرخ موفقیت گوسفند دالی باشد. گوسفند دالی تنها ۰٫۴ درصد شانس برای وجود داشتن داشت.

اگر نرخ موفقیت این آزمایش بهبود چشم‌گیری تجربه کند، شبیه‌سازی حیوانات با استفاده از سلول‌ها و DNA تخریب‌شده می‌تواند در سایر حوزه‌ها نیز مزایایی به همراه داشته باشد. بررسی‌ها نشان می‌دهد که در گذر زمان حتی DNAای که به بهترین روش ذخیره شده باشد نیز تخریب می‌شود. اگر به‌دنبال پیدا کردن روشی برای شبیه‌سازی حیوانات منقرض‌شده هستیم باید در فرایند شبیه‌سازی از روی DNA ناقص یا تخریب‌شده به مهارت بیشتری دست پیدا کنیم. تا رسیدن روزهایی که انسان چنین مهارتی داشته باشد فاصله‌ی بسیار زیادی داریم، اما آینده بسیار هیجان‌انگیز به نظر می‌رسد.

نتایج این مطالعه در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.