_ Arici de mare făcut la comandă: oamenii de știință fac o descoperire transgenică

Luați în considerare arici de mare. Mai exact, ariciul pictat: Lytechinus pictus, o minge de ping-pong înțepătoare din estul Oceanului Pacific.

Specia este o verișoară mai mică și mai scurtă a aricilor violet care devorează pădurile de alge. Ei produc un număr masiv de spermatozoizi și ovule care fertiliză în afara corpului lor, permițând oamenilor de știință să urmărească procesul de creare a aricilor de aproape și la scară. O generație dă naștere următoarei în patru până la șase luni. Ei împărtășesc mai mult material genetic cu oamenii decât muștele de fructe și nu pot zbura departe – pe scurt, un animal de laborator ideal pentru biologul de dezvoltare.

Oamenii de știință au folosit arici de mare pentru a studia dezvoltarea celulelor de aproximativ 150 de ani. ani. În ciuda statutului aricilor de super reproducători, preocupările practice îi obligă adesea pe oamenii de știință să-și concentreze munca pe animale mai ușor accesibile: șoareci, muștele de fructe, viermi.

Oamenii de știință care lucrează cu șoareci, de exemplu, pot comanda animale online cu proprietățile genetice specifice pe care speră să le studieze - animale transgenice, ale căror gene au fost modificate artificial pentru a exprima sau reprima anumite trăsături.

Cercetătorii care lucrează cu arici trebuie, de obicei, să petreacă o parte a anului colectându-le de la ocean.

„Îți poți imagina dacă cercetătorii șoarecilor ar fi întins o capcană pentru șoareci în fiecare noapte și orice ar fi prins, este ceea ce au studiat?” a spus Amro Hamdoun, profesor la Scripps Institution of Oceanography din UC San Diego.

Nevertebratele marine reprezintă aproximativ 40% din diversitatea biologică a lumii animale, dar apar într-o mică parte dintr-un procent din studiile pe animale. Ce se întâmplă dacă cercetătorii ar putea accesa aricii de mare la fel de ușor ca șoarecii? Ce-ar fi dacă ar fi posibil să se facă și să crească linii de arici transgenici?

„Știi cum, în timpul pandemiei, toată lumea făcea aluat? Nu mă pricep să fac aluat”, a spus Hamdoun recent la biroul său în Sala Hubbs a lui Scripps. El și-a pus ochii în schimb pe un proiect de alt fel: un nou animal transgenic de laborator, „o muscă a fructelor din mare”.

În martie, laboratorul lui Hamdoun a publicat o lucrare pe serverul de preprint bioRxiv care demonstrează inserarea cu succes a unei bucăți de ADN străin – în special, o proteină fluorescentă dintr-o meduză – în genomul unui arici pictat care a transmis modificarea descendenților săi.

Rezultatul este primul arici de mare transgenic, unul care se întâmplă să strălucească ca un bec de Crăciun sub o lumină fluorescentă. (Lucrarea a fost trimisă pentru evaluarea de către colegi.)

Animalele sunt primele echinoderme transgenice, filum care include stele de mare, castraveți de mare și alte animale marine. Misiunea lui Hamdoun este să pună la dispoziția cercetătorilor de oriunde aricii modificați genetic, nu doar celor care se întâmplă să lucreze în unități de cercetare de la marginea Oceanului Pacific.

„Dacă te uiți la unele dintre celelalte organisme model, precum Drosophila [muștele de fructe], peștele zebra și șoarecele, există centre de resurse bine stabilite”, a spus Elliot Jackson, cercetător postdoctoral la Scripps și autor principal al lucrării. „Dacă vrei o linie transgenică care să eticheteze sistemul nervos, probabil că ai putea obține asta. Ai putea să o comanzi. Și asta sperăm că putem fi pentru aricii de mare.”

A fi capabil să modificăm genetic un animalul supraalimentează ceea ce oamenii de știință pot învăța din el, cu implicații mult peste orice specie individuală.

„Va transforma aricii de mare ca model pentru înțelegerea neurobiologiei, pentru înțelegerea biologiei dezvoltării, pentru înțelegerea toxicologiei”, a spus Christopher Lowe. , un profesor de biologie la Stanford, care nu a fost implicat în cercetare.

Descoperirea laboratorului și concentrarea sa pe punerea animalelor la dispoziția colegilor de știință, ne vor „permite să explorăm modul în care evoluția a rezolvat multe de probleme de viață cu adevărat complicate”, a spus el.

Cercetătorii tind să studieze șoarecii, muștele și altele asemenea, nu pentru că biologia animalelor este cea mai potrivită pentru a răspunde la întrebările lor, ci pentru că „toate instrumentele care au fost necesare pentru a rezolva întrebările tale au fost construite într-un puține specii”, a spus Deirdre Lyons, profesor asociat de biologie la Scripps, care a lucrat cu Hamdoun la cercetările timpurii legate de proiect.

Extinderea gamei de animale disponibile pentru lucrări sofisticate de laborator este ca și cum ai adăuga culori unui Paleta artistului, Lyons a spus: „Acum poți să obții culoarea pe care o dorești cu adevărat, care se potrivește cel mai bine viziunii tale, în loc să fii blocat cu câteva modele.”

La parterul clădirii de birouri a lui Hamdoun. este acvariul experimental Hubbs Hall, un spațiu asemănător unui garaj plin cu rezervoare pline cu apă de mare recirculară și un sortiment pestriț de vieți marine.

Într-o vizită recentă, Hamdoun a băgat mâna într-un rezervor și a dislocat ușor un arici pictat. . A străbătut cu o viteză surprinzătoare o palmă întinsă, de parcă ar explora un teren străin.

Ultimul strămoș comun al L. pictus și Homo sapiens a trăit cu cel puțin 550 de milioane de ani în urmă. În ciuda diferitelor căi de evoluție pe care le-am parcurs de atunci, genomul nostru dezvăluie o moștenire biologică comună.

Instrucțiunile genetice care conduc la transformarea unui singur zigot într-un corp viu sunt izbitor de similare la cele două specii ale noastre. Sistemele specializate se diferențiază de un singur ou fertilizat și de traducerea unui amestec de proteine ​​într-un singur lucru viu - la nivel celular, toate acestea se desfășoară în același mod pentru arici și oameni.

Aceste animale. sunt „cu adevărat fundamentale pentru înțelegerea noastră a întregii vieți”, a spus Hamdoun, punând ariciul înapoi în rezervorul său. „Și din punct de vedere istoric, foarte inaccesibil din punct de vedere genetic.”

Acvariul experimental a fost construit în anii 1970, când strângerea vieții din mare era singura modalitate de a obține specimene de cercetare. La câteva etaje mai sus, în Hubbs Hall, Hamdoun a deschis calea către pepiniera de arici – primul efort la scară largă de a crește generații succesive de animale într-un laborator. În orice moment, echipa are între 1.000 și 2.000 de arici de mare în diferite stadii de dezvoltare.

Rând după rând de rezervoare minuscule de plastic stăteau lângă un perete, fiecare conținând un pui de arici de mărimea unei linte. O bandă de bandă pe fiecare rezervor a notat modificarea genetică a animalului și data fertilizării. Pe unele, un al doilea fragment de bandă a indicat animale care au avut modificarea în ADN-ul celulelor sexuale, ceea ce înseamnă că ar putea fi transmisă descendenților. (Din acest motiv, laboratorul își păstrează aricii în mod scrupulos separat de populația sălbatică.)

„Una dintre marile întrebări din toată biologia este să înțelegeți cum seria de instrucțiuni din genom vă oferă orice fenotip. vrei să studiezi”, a spus Hamdoun – în esență, modul în care șirul de aminoacizi care este codul genetic al unui animal dă naștere la caracteristicile creaturii vii, care respiră. „Unul dintre lucrurile fundamentale pe care trebuie să le faci este să poți modifica acel genom și apoi să studiezi care este rezultatul.”

El a arătat spre un rezervor care conține un arici minuscul din al cărui cod genetic se află proteina ABCD1. a fost tăiat.

ABCD1 acționează ca un bouncer, a explicat Hamdoun, parcând de-a lungul membranei celulare și ejectând molecule străine. Acțiunea proteinei poate păstra celula de substanțe nocive, dar uneori poate funcționa împotriva interesului organismului, cum ar fi atunci când împiedică celula să absoarbă un medicament necesar.

Cercetătorii care folosesc arici în care proteina respectivă nu mai funcționează pot studiază mișcarea unei molecule printr-un organism – DDT, de exemplu – și măsoară cât de multă substanță ajunge în celulă fără interferența de confuzie a ABCD1. Ei pot face inginerie inversă cât de mare îl joacă ABCD1 în prevenirea unei celule să absoarbă un medicament.

Și mai sunt și aricii fluorescenți.

„Magia se întâmplă în această cameră”, a spus Jackson, intrând într-un birou îngust cu microscoape în valoare de 1 milion de dolari la un capăt și o centrifugă veche de zeci de ani, cu manivelă, fixată pe o masă la altul.

El a plasat sub un microscop o placă Petri care conținea trei arici transgenici de mărimea unei ștersă de creion. Fiind de 120 de ori mai mare, fiecare arăta ca balul de Revelion din Times Square care prindea viață — o creatură strălucitoare, zguduitoare, cu o simetrie radială pentameră.

Fluorescența nu este doar un truc de petrecere cu echinoderm. Iluminarea celulelor face mai ușor pentru cercetători să urmărească mișcarea lor într-un organism în curs de dezvoltare. Cercetătorii pot urmări cum celulele timpurii ale unei blastule se divid și se reorganizează în țesut neural sau cardiac. În cele din urmă, oamenii de știință vor putea să dezactiveze genele individuale și să vadă cum afectează acest lucru dezvoltarea. Ne va ajuta să înțelegem cum se dezvoltă propria noastră specie și de ce această dezvoltare nu decurge întotdeauna conform planului.

Laboratorul a „făcut o treabă grozavă. A fost cu adevărat salutat de comunitate”, a spus Marko Horb, om de știință principal și director al National Xenopus Resource la Laboratorul de Biologie Marină al Universității din Chicago.

Horb conduce centrul național de compensare pentru speciile modificate genetic de Xenopus, o broască cu gheare folosită în cercetările de laborator. Centrul dezvoltă linii de broaște transgenice pentru uz științific și le distribuie cercetătorilor.

Hamdoun are în vedere un centru de resurse similar pentru aricii din laboratorul său. Au început deja să trimită fiole mici de spermă de arici transgenic oamenilor de știință interesați, care pot crește arici la comandă cu ouă achiziționate din laboratorul lui Hamdoun sau din altă sursă.

Hamdoun își amintește cu claritate timpul petrecut la începutul carierei sale încercând să descopere fragmente aleatorii de ADN necesare cercetărilor sale, dezamăgirea și frustrarea de a le scrie profesorilor și foștilor postdoc doar pentru a descoperi că materialul fusese pierdut de mult. El ar prefera ca generațiile viitoare de oameni de știință să-și petreacă timpul în descoperiri.

„Biologia este cu adevărat interesantă”, a spus el. „Cu cât mai mulți oameni pot avea acces la el, cu atât vom învăța mai mult.”

2024 Los Angeles Times. Distribuit de Tribune Content Agency, LLC.

(Fluierul)