i 2009 begyndte det brasilianske Agricultural Research Corp. (Embrapa) og Brasilia Dyrehave at rense og fryse blod, sæd og navlestrengsceller fra roadkill og andre vilde dyr, der var døde, for det meste i Cerrado savanna—en utrolig forskelligartet samling af tropiske skove og græsarealer økosystemer hjem til mindst 10.000 plantearter og mere end 800 arter af fugle og pattedyr, hvoraf nogle ikke bor andre steder i verden. Prøver blev indsamlet fra buskhunden, collared anteater, bison og grå brocket hjorte, blandt andre arter.
ideen var at bevare den genetiske information om Brasiliens truede dyreliv. En dag begrundede organisationerne, at de måske kunne bruge det indsamlede DNA til at klone truede dyr og styrke svindende befolkninger. Indtil videre har de to institutioner samlet mindst 420 vævsprøver. Nu samarbejder de om et beslægtet projekt, der vil bruge DNA ‘ et i disse prøver til at forbedre avls-og kloningsteknikker. Nuværende kloningsteknikker har en gennemsnitlig succesrate på mindre end 5 procent, selv når man arbejder med velkendte arter; kloning af vilde dyr er normalt mindre end 1 procent vellykket.
alle dyr, der er født under Brasiliens nye virksomhed, vil bo i Brasilia-dyreparken, siger Embrapa-forsker Carlos Martins. Udvidelse af fangenskabspopulationer af vilde dyr, håber han og hans team, vil afskrække dyreparker og forskere fra at tage endnu flere vilde dyr ud af deres oprindelige levesteder. Martins og hans kolleger har endnu ikke besluttet, hvilken art de vil forsøge at klone, men den manke ulv og jaguar er stærke kandidater. Den Internationale Union for bevarelse af naturen klassificerer begge dyr som “næsten truet” på sin røde liste over truede arter, to niveauer under “truet.”
mange forskere er enige om, at kloning på nuværende tidspunkt ikke er en gennemførlig eller effektiv bevaringsstrategi. Først og fremmest påpeger nogle bevarere, at kloning ikke tager fat på årsagerne til, at mange dyr bliver truet i første omgang—nemlig jagt og ødelæggelse af levesteder. Selvom kloning teoretisk kunne hjælpe i virkelig desperate situationer, er de nuværende kloningsteknikker simpelthen for ineffektive til at gøre meget af en forskel. Sammenlignet med kloning af husdyrarter—især kvæg, der med succes er klonet i årevis for at duplikere ønskelige træk—er kloning af truede arter langt vanskeligere af en række årsager.
vellykket kloning involverer generelt mindst tre væsentlige komponenter: DNA fra dyret, der skal klones; et levedygtigt æg til at modtage det DNA; og en mor til at gestere det resulterende embryo. Ofte er hundredvis af embryoner og forsøg på graviditeter nødvendige for at producere selv nogle få kloner. Forskere har normalt en dårlig forståelse af truede dyrs reproduktive fysiologi, hvilket gør det for risikabelt at udtrække et tilstrækkeligt antal æg fra den pågældende art eller stole på hunner af den pågældende art for at føde kloner. Juridisk beskyttelse udelukker undertiden også truede arter fra sådanne procedurer. For at kompensere smelter forskere DNA fra en truet art med æg fra en nært beslægtet art og vælger mødre fra sidstnævnte. Sådanne hybridembryoner udvikler sig ofte ikke korrekt.
selvom de er meget opmærksomme på disse problemer, mener Martins og hans kolleger såvel som et par andre forskere rundt om i verden, at bestræbelserne på at arkivere den genetiske information om truet dyreliv er umagen værd. Nogle forskere er fortsat optimistiske over, at kloning vil blive et nyttigt redskab til bevarelse i fremtiden. Optimister peger på nylige succeser kloning af vilde pattedyr ved hjælp af nært beslægtede husdyrarter, forbedrede teknikker til forebyggelse af udviklingsmæssige abnormiteter i et klonet embryo, bedre neonatal pleje af nyfødte kloner og in vitro-befrugtning muliggjort af stamceller afledt af frosset væv.
de første kloner
i begyndelsen af 1950 ‘ erne klonede Robert Briggs og Thomas King med succes 27 nordlige leopardfrøer gennem en proces kendt som nuklear overførsel. Kernen, ofte kaldet kommandocentret for cellen, indeholder det meste af et hvirveldyrs DNA—bortset fra DNA ‘ et inden for bønneformede, energiproducerende organeller ved navn mitokondrier. Briggs og King tømte frøæg af deres kerner, sugede kerner ud af celler i frøembryoer og injicerede disse kerner i de tomme æg. Mange af æggene udviklede sig til haletudser, der var genetisk identiske med de embryoner, der havde doneret deres nukleare DNA.
i 1958 klonede John Gurdon, derefter ved University of Oksford, og kolleger frøer med nukleart DNA ekstraheret fra cellerne i fuldt dannede rumpehuller. I modsætning til embryonale celler, som er genetisk fleksible nok til at blive en række forskellige væv, er en tadpole ‘ s celler “differentieret”—det vil sige mønstrene af gener, de udtrykker, har ændret sig for at passe til profilen af en bestemt celletype: en hud, øje eller hjertecelle, for eksempel. Gurdon demonstrerede, at når det transplanteres i et æg, vender nukleart DNA fra en moden celle tilbage til den mere alsidige tilstand, der er karakteristisk for DNA i et embryos celler. Dette gennembrud opfordrede forskere til at forsøge at klone langt større dyr ved hjælp af DNA fra voksne celler.
i 1996 forsøgte forskere i Skotland at klone et kvindeligt Finn-Dorset-får. De injicerede kerner ekstraheret fra hendes yverceller i næsten 300 tomme æg afledt af skotske blackfaces, en anden fåreavl. Ud af de forberedte æg formåede forskerne at skabe mere end 30 embryoner. Kun fem af disse embryoner udviklede sig til lam efter at være blevet implanteret i surrogat skotske blackfaces. Og kun et af disse lam overlevede i voksenalderen. Forskerne kaldte hende Dolly.
siden da har nogle biologer gentagne gange antydet, at kloning kunne hjælpe med at redde truede arter, især i alvorlige situationer, hvor der kun er et par dusin eller en håndfuld dyr tilbage. Jo mindre, mere homogen og mere indavlet en population er, jo mere modtagelig er den for en enkelt skadelig genetisk mutation eller sygdom. Kloner kan teoretisk øge den genetiske mangfoldighed i en truet befolkning, hvis forskere har adgang til konserveret DNA fra mange forskellige individer. I det mindste kunne kloner stabilisere en krympende befolkning. Og nogle forskere hævder, at en genetisk homogen, men stabil befolkning ville være bedre end udryddelse; nogle stærkt indavlede grupper af vilde dyr, såsom Chillingham kvæg i England, har overlevet fint i hundreder af år.
en art, der kan drage fordel af kloning, er den nordlige hvide næsehorn, som er hjemmehørende i Afrika. I 1960 var den globale nordlige hvide næsehorn befolkning mere end 2.000 stærk, men krybskytteri har reduceret deres antal til så få som 11 i dag. Ved sidste optælling, tre bor i dyreparker—to i San Diego og en i Tjekkiet—fire bor i Ol Pejeta Conservancy i Kenya, og så få som fire individer kan stadig leve i naturen baseret på ubekræftede rapporter, men de er ikke blevet set i flere år. De fleste af de fangede dyr er uinteresserede i parring eller ufrugtbare, selvom to næsehorn parrede sig i sommeren 2012.
lige nu er det dog usandsynligt, at kloning hjælper den hvide næsehorn eller andre truede arter. Hidtil er historien om kloning af truede dyr en af få højt profilerede succeser og mange, mange fejl. Siden begyndelsen af 2000 ‘ erne har forskere ved hjælp af den samme teknik, der producerede Dolly, klonet flere truede og endda uddøde pattedyr, herunder et mouflonfår og et kvæg kendt som en gaur i 2001; en slags vildt kvæg kaldet en banteng i 2003; en vild ged kendt som Pyrenæerne i 2009; og vilde prærieulve i 2012. I hvert tilfælde døde mange flere kloner før fødslen end overlevede; i de fleste tilfælde overlevede ingen af klonerne i voksenalderen.
uoverensstemmende
alle de forsøgte kloner af truede eller uddøde dyr døde på forskellige måder af forskellige grunde, men de delte alle et grundlæggende problem—de var ikke nøjagtige kopier af deres kolleger. I de fleste tilfælde har forskere kombineret DNA fra de truede arter med æg fra en beslægtet husdyrart. Hver surrogatmor implanteres ofte med snesevis af hybridembryoner for at opnå mindst et par graviditeter, en strategi, der kræver ekstraktion af hundreder af æg. Fordi reproduktionsfysiologien hos de fleste truede dyr er så dårligt forstået, er forskere ofte usikre på, hvornår dyrene har ægløsning, og hvordan de bedst kan erhverve deres æg. I nogle tilfælde forhindrer juridisk beskyttelse forskere i at høste æg fra truede arter. Af alle disse grunde henvender de sig i stedet til mere velkendte husdyrarter.
injektion af DNA fra en art i ægget fra en anden art—endda en nært beslægtet—skaber et usædvanligt hybridembryo, der ofte ikke udvikler sig ordentligt i livmoderen hos en surrogatmor. Hybridembryoner har det nukleare DNA fra den klonede art og mitokondrie (mtDNA) DNA fra donoræget. Denne uoverensstemmelse bliver problematisk, når embryoet udvikler sig. Nukleart DNA og mtDNA arbejder sammen; de indeholder begge genetiske opskrifter på proteiner, som celler udvinder energi fra mad. I et hybridembryo passer disse proteiner ikke altid ordentligt sammen, hvilket efterlader celler sultet efter energi. Komplicerende forhold yderligere afviser surrogatmoren ofte hybridembryoet, fordi hun genkender nogle af embryoets væv, især moderkagen, som fremmed.
et andet problem—og det hidtil mest uhåndterlige-er, at et hybridembryo skabt via nuklear overførsel ikke er en genetisk blank skifer som de fleste embryoner. Alle hvirveldyr begynder livet som hule kugler af embryonale stamceller, som kan blive næsten enhver form for voksencelle. Hver af disse stamceller indeholder en kopi af det nøjagtige samme genom pakket i kromosomer—stramme bundter af DNA og histonproteiner. Efterhånden som embryoet udvikler sig, begynder stamcellerne at påtage sig deres voksne former: nogle bliver hudceller, andre hjerteceller og så videre. Forskellige typer celler begynder at udtrykke forskellige mønstre af gener. Inde i hver celle interagerer et udvalg af molekyler med DNA og histoner for at ændre genekspression. Nogle molekyler, såsom methylgrupper, blokerer fysisk cellulære maskiner fra at læse de genetiske instruktioner i visse segmenter af DNA; nogle bindinger løsner bindingerne mellem histoner og DNA, hvilket gør bestemte gener mere tilgængelige. Til sidst har hver celletype—hudcelle, levercelle, hjernecelle—det samme genom, men et andet epigenom: et unikt mønster af gener, der aktivt udtrykkes eller effektivt tavles. Over tid kan en voksencelles epigenom ændre sig yderligere afhængigt af dyrets livserfaringer.
så når forskere injicerer en voksen cellekerne i et tomt æg, bringer kernen sit unikke epigenom med sig. Som Gurdons tidlige eksperimenter i 1950 ‘ erne og efterfølgende undersøgelser har vist, er et æg i stand til at slette epigenomet af introduceret nukleart DNA og tørre skifer rent—til en vis grad. Denne proces med” nuklear omprogrammering ” er dårligt forstået, og ægget undlader ofte at fuldføre det ordentligt, især når ægget er fra en art og det nukleare DNA fra en anden. Ufuldstændig nuklear omprogrammering er en af hovedårsagerne, mener forskere, for de mange udviklingsmæssige abnormiteter, der dræber kloner før fødslen og for de medicinske problemer, der er fælles for mange overlevende, såsom ekstremt høj fødselsvægt og organsvigt.
nogle forskere ser måder omkring disse problemer. Paskvaliino Loi fra University of Teramo i Italien var en del af et hold, der med succes klonede truede mouflonfår i begyndelsen af 2000 ‘ erne; klonerne døde inden for seks måneder efter fødslen. Loi og hans kolleger tror, at de kan øge chancerne for, at et hybridembryo overlever i en surrogatmors livmoder. Først, de foreslår, forskere kunne pleje et hybridembryo i kort tid i laboratoriet, indtil det udvikler sig til det, der er kendt som en blastocyst—den kugleformede begyndelse af et hvirveldyr sammensat af en ydre cirkel af celler, trofoblasten, der omgiver en klump af hurtigt opdelte stamceller kendt som den indre cellemasse. Til sidst bliver trofoblasten placenta. Forskere kunne øse den indre cellemasse ud af hybridblastocysten, foreslår Loi, og transplantere den til en tom trofoblast afledt af samme art som surrogatmoren. Fordi surrogatmoren er langt mindre tilbøjelig til at afvise en trofoblast fra sin egen art, har det udviklende embryo inden for en meget bedre chance for at overleve.
forskere har også fundet ud af, hvordan man kan tilskynde til nuklear omprogrammering ved at bade ægget i visse forbindelser og kemikalier, såsom trichostatin A, som stimulerer eller hæmmer de celler, der bestemmer en celles epigenom. Riken Center for udviklingsbiologi i Kobe, Japan og hans kolleger producerede 581 klonede mus fra en enkelt donormus over 25 generationer ved hjælp af trichostatin a for at opnå succesrater så højt som 25 procent i nogle, men ikke alle generationer. For at løse uoverensstemmelsen mellem mtDNA og nukleart DNA foreslår Loi blot at fjerne ægets oprindelige mtDNA og erstatte det med mtDNA fra arten, der skal klones—noget som forskere forsøgte i 1970 ‘erne og 80’ erne, men har ikke forsøgt for nylig af grunde, der er uklare.
nogle af de mest succesrige forsøg på at klone truede dyr i de senere år har involveret to af de mest elskede husdyrarter—katte og hunde. På Audubon Center for forskning af truede arter har Martha Gomes og hendes kolleger skabt mange afrikanske vildkatkloner siden midten af 2000 ‘ erne ved hjælp af huskatte som surrogatmødre. Otte kloner har overlevet til voksenalderen indtil videre og er alle sunde i dag. Hun tilskriver sin succes til dels, at vildkatte og huskatte er meget tættere beslægtede med hinanden end de fleste vilde og husdyrarter er parret med henblik på kloning. Hun og hendes team har også lært at øge succesraten med kejsersnit—for at skåne kloner stresset ved en typisk fødsel—og for at holde nyfødte kloner i intensiv pleje i et par uger, som om de var for tidlige babyer. I 2008 B. C. Lee fra Seoul National University i Korea og hans kolleger opnåede lignende succes ved hjælp af husdyr til at skabe tre sunde mandlige grå ulvekloner. Lees hold havde tidligere oprettet to kvindelige grå ulvekloner. Alle fem dyr overlevede i voksenalderen, bekræfter Lee.
arbejdet med sortfodede katte, der er hjemmehørende i Afrika og opført som “sårbare” på rødlisten, fokuserer nu på en metode til kloning, der adskiller sig fra nuklear overførsel. Hun forsøger at omdanne voksne celler fra sortfodede katte til stamceller og efterfølgende inducere disse stamceller til at blive sæd og æg. Derefter kunne hun gennem in vitro befrugtning eller lignende teknikker imprægnere huskatte med sortfodede katteembryoner. Alternativt kan stamcelleafledt sæd og æg bruges til at imprægnere hunner af de truede arter.
at sige, at denne tilgang er teknisk udfordrende, ville være en underdrivelse, men forskere har gjort imponerende fremskridt. I 2011 Jeanne Loring fra Scripps Research Institute i La Jolla, Californien., og hendes kolleger producerede stamceller fra de frosne hudceller fra to truede arter—den nordlige hvide næsehorn og en baboonlignende primat kendt som en boremaskine. Og i 2012 forvandlede Katsuhiko Hayashi fra Kyoto University Graduate School of Medicine og kolleger hudceller fra voksne mus til stamceller, som de derefter omdannede til levedygtige æg. Efter befrugtning af æggene med sæd i reagensglas implanterede forskerne embryonerne i surrogatmormus, der fødte sunde og frugtbare afkom.
” jeg siger ikke, at kloning vil redde truede arter, men jeg tror stadig på kloning som et andet redskab. Det er dog ikke let. Forskningen går langsomt.”
Teramos Loi forbliver også optimistisk. Han mener, at forskere bør fortsætte med at indsamle og bevare den genetiske information om truede dyr, som Brasilien har gjort, og skabe biobanker af væv på is, såsom den “frosne dyrepark” ved San Diego dyreparkens Institut for Bevaringsforskning. Hvis forskere formår at dramatisk øge effektiviteten af kloning af vilde og truede dyr—hvad enten det er med nuklear overførsel eller in vitro—befrugtning-så venter det DNA, de har brug for, på dem. Hvis de ikke gør det, vil biobanker stadig være nyttige til mere grundlæggende forskning. “Når kloning af truede dyr er korrekt etableret, vil det være et meget kraftfuldt værktøj,” siger Loi. “Hvis noget kan gøres, vil det ske om 10 år.”