Im Jahr 2009 begannen die Brazilian Agricultural Research Corp. (Embrapa) und der Brasilia Zoological Garden, Blut, Sperma und Nabelschnurzellen von Roadkill und anderen Wildtieren, die gestorben waren, zu sammeln und einzufrieren, hauptsächlich in der Cerrado—Savanne – einer unglaublich vielfältigen Sammlung tropischer Wald- und Grünlandökosysteme, in denen mindestens 10.000 Pflanzenarten und mehr als 800 Vogel- und Säugetierarten leben, von denen einige nirgendwo sonst auf der Welt leben. Es wurden unter anderem Exemplare des Buschhundes, des Halsbandameisenbärs, des Bisons und des grauen Brockethirsches gesammelt.
Die Idee war, die genetische Information der vom Aussterben bedrohten Tierwelt Brasiliens zu erhalten. Eines Tages, so argumentierten die Organisationen, könnten sie die gesammelte DNA verwenden, um gefährdete Tiere zu klonen und schwindende Populationen zu stärken. Bisher haben die beiden Institutionen mindestens 420 Gewebeproben gesammelt. Jetzt arbeiten sie an einem verwandten Projekt zusammen, das die DNA in diesen Proben verwenden wird, um die Zucht- und Klonierungstechniken zu verbessern. Aktuelle Klontechniken haben eine durchschnittliche Erfolgsquote von weniger als 5 Prozent, selbst wenn mit bekannten Arten gearbeitet wird; Das Klonen von Wildtieren ist normalerweise weniger als 1 Prozent erfolgreich.
Alle Tiere, die während des neuen Jahres in Brasilien geboren wurden, werden im Zoo von Brasilia leben, sagt der Embrapa-Forscher Carlos Martins. Er und sein Team hoffen, dass die Ausweitung der Wildtierpopulationen in Gefangenschaft Zoos und Forscher davon abhalten wird, noch mehr Wildtiere aus ihren heimischen Lebensräumen zu holen. Martins und seine Kollegen haben noch nicht entschieden, welche Arten sie klonen wollen, aber der Mähnenwolf und der Jaguar sind starke Kandidaten. Die Internationale Union für Naturschutz stuft beide Tiere auf ihrer Roten Liste bedrohter Arten als „nahezu bedroht“ ein, zwei Ebenen unter „gefährdet.“
Viele Forscher sind sich einig, dass das Klonen derzeit keine praktikable oder wirksame Erhaltungsstrategie ist. Zunächst weisen einige Naturschützer darauf hin, dass das Klonen nicht die Gründe anspricht, aus denen viele Tiere überhaupt gefährdet werden — nämlich die Jagd und die Zerstörung von Lebensräumen. Auch wenn das Klonen theoretisch in wirklich verzweifelten Situationen helfen könnte, sind die derzeitigen Klontechniken einfach zu ineffektiv, um einen großen Unterschied zu machen. Im Vergleich zum Klonen heimischer Arten – insbesondere von Rindern, die seit Jahren erfolgreich geklont werden, um wünschenswerte Merkmale zu duplizieren — ist das Klonen gefährdeter Arten aus einer Reihe von Gründen weitaus schwieriger.
Erfolgreiches Klonen umfasst im Allgemeinen mindestens drei wesentliche Komponenten: DNA des zu klonierenden Tieres; ein lebensfähiges Ei, um diese DNA zu erhalten; und eine Mutter, um den resultierenden Embryo zu tragen. Oft werden Hunderte von Embryonen und Schwangerschaftsversuche benötigt, um auch nur wenige Klone zu produzieren. Wissenschaftler haben normalerweise ein schlechtes Verständnis der Fortpflanzungsphysiologie gefährdeter Tiere, was es zu riskant macht, eine ausreichende Anzahl von Eiern aus dieser Art zu extrahieren oder sich auf Weibchen dieser Art zu verlassen, um Klone zur Welt zu bringen. Rechtliche Schutzmaßnahmen schließen bedrohte Arten manchmal auch von solchen Verfahren aus. Um dies zu kompensieren, verschmelzen Forscher die DNA einer gefährdeten Art mit Eiern einer eng verwandten Art und wählen Mütter aus letzteren aus. Solche hybriden Embryonen entwickeln sich oft nicht richtig.
Obwohl sie sich dieser Probleme sehr bewusst sind, halten Martins und seine Kollegen sowie einige andere Wissenschaftler auf der ganzen Welt die Bemühungen, die genetischen Informationen gefährdeter Wildtiere zu archivieren, für lohnenswert. Einige Forscher bleiben optimistisch, dass das Klonen in Zukunft ein nützliches Instrument für die Erhaltung sein wird. Optimisten verweisen auf die jüngsten Erfolge beim Klonen wilder Säugetiere unter Verwendung eng verwandter heimischer Arten, verbesserte Techniken zur Verhinderung von Entwicklungsstörungen bei einem geklonten Embryo, eine bessere Neugeborenenversorgung für neugeborene Klone und In-vitro-Fertilisation, die durch Stammzellen aus gefrorenem Gewebe ermöglicht werden.
Die ersten Klone
In den frühen 1950er Jahren klonten Robert Briggs und Thomas King am Lankenau Hospital Research Institute in Philadelphia erfolgreich 27 nördliche Leopardenfrösche durch einen Prozess, der als Kerntransfer bekannt ist. Der Zellkern, oft als Kommandozentrale der Zelle bezeichnet, enthält den größten Teil der DNA eines Wirbeltiers — mit Ausnahme der DNA in bohnenförmigen, energieerzeugenden Organellen namens Mitochondrien. Briggs und King entleerten Froscheier aus ihren Kernen, saugten Kerne aus Zellen in Froschembryonen und injizierten diese Kerne in die leeren Eier. Viele der Eier entwickelten sich zu Kaulquappen, die genetisch identisch mit den Embryonen waren, die ihre Kern-DNA gespendet hatten.
1958 klonierten John Gurdon, damals an der Universität Oxford, und Kollegen Frösche mit Kern-DNA, die aus den Zellen voll ausgebildeter Kaulquappen extrahiert wurden. Im Gegensatz zu embryonalen Zellen, die genetisch flexibel genug sind, um eine Vielzahl von verschiedenen Geweben zu werden, sind die Zellen einer Kaulquappe „differenziert“ — das heißt, die Muster der Gene, die sie exprimieren, haben sich geändert, um dem Profil eines bestimmten Zelltyps zu entsprechen: eine Haut-, Augen- oder Herzzelle zum Beispiel. Gurdon zeigte, dass bei der Transplantation in ein Ei die Kern-DNA aus einer reifen Zelle in den vielseitigeren Zustand zurückkehrt, der für die DNA in den Zellen eines Embryos charakteristisch ist. Dieser Durchbruch ermutigte die Wissenschaftler, weit größere Tiere mit DNA aus adulten Zellen zu klonen.
1996 versuchten Forscher in Schottland, ein weibliches Finn-Dorset-Schaf zu klonen. Sie injizierten Kerne, die aus ihren Euterzellen extrahiert wurden, in fast 300 leere Eier, die von Scottish Blackfaces, einer anderen Schafrasse, stammen. Aus diesen vorbereiteten Eiern konnten die Wissenschaftler mehr als 30 Embryonen herstellen. Nur fünf dieser Embryonen entwickelten sich zu Lämmern, nachdem sie in Scottish Blackfaces implantiert worden waren. Und nur eines dieser Lämmer überlebte bis ins Erwachsenenalter. Die Forscher nannten sie Dolly.
Seitdem haben einige Biologen wiederholt vorgeschlagen, dass das Klonen dazu beitragen könnte, gefährdete Arten zu retten, insbesondere in schlimmen Situationen, in denen nur noch wenige Dutzend oder eine Handvoll Tiere übrig sind. Je kleiner, homogener und inzuchtfähiger eine Population ist, desto anfälliger ist sie für eine einzige schädliche genetische Mutation oder Krankheit. Klone könnten theoretisch die genetische Vielfalt einer gefährdeten Population erhöhen, wenn Forscher Zugang zu erhaltener DNA von vielen verschiedenen Individuen haben. Zumindest könnten Klone eine schrumpfende Population stabilisieren. Und einige Forscher argumentieren, dass eine genetisch homogene, aber stabile Population besser wäre als das Aussterben; Einige Hochinzuchtgruppen von Wildtieren, wie Chillingham-Rinder in England, haben Hunderte von Jahren gut überlebt.
Eine Art, die vom Klonen profitieren könnte, ist das nördliche Breitmaulnashorn, das in Afrika beheimatet ist. Im Jahr 1960 war die globale nördliche weiße Nashornpopulation mehr als 2.000 stark, aber Wilderei hat ihre Zahl auf so wenige wie 11 heute reduziert. Nach der letzten Zählung, Drei leben in Zoos – zwei in San Diego und einer in der Tschechischen Republik — vier leben im Ol Pejeta Conservancy in Kenia und nur vier Personen können aufgrund unbestätigter Berichte noch in freier Wildbahn leben, aber sie wurden seit mehreren Jahren nicht mehr gesichtet. Die meisten in Gefangenschaft gehaltenen Tiere sind nicht an der Paarung interessiert oder unfruchtbar, obwohl sich zwei Nashörner im Sommer 2012 paarten.
Derzeit ist es jedoch unwahrscheinlich, dass das Klonen dem weißen Nashorn oder anderen bedrohten Arten hilft. Bis heute ist die Geschichte des Klonens gefährdeter Tiere einer von wenigen hochkarätigen Erfolgen und vielen, vielen Misserfolgen. Seit den frühen 2000er Jahren haben Forscher mit der gleichen Technik, mit der Dolly hergestellt wurde, mehrere gefährdete und sogar ausgestorbene Säugetiere geklont, darunter ein Mufflon-Schaf und ein Rinder, das 2001 als Gaur bekannt war. eine Art Wildvieh namens Banteng im Jahr 2003; eine wilde Ziege, die 2009 als Pyrenäensteinbock bekannt war; und wilde Kojoten im Jahr 2012. In jedem Fall starben viel mehr Klone vor der Geburt als überlebt; In den meisten Fällen überlebte keiner der Klone bis ins Erwachsenenalter.
Nicht übereinstimmend
Alle diese Klonversuche gefährdeter oder ausgestorbener Tiere starben auf unterschiedliche Weise aus unterschiedlichen Gründen, aber sie alle teilten ein grundlegendes Problem — sie waren keine exakten Nachbildungen ihrer Gegenstücke. In den meisten Fällen haben Forscher DNA der bedrohten Art mit Eiern einer verwandten heimischen Art kombiniert. Jede Leihmutter wird oft mit Dutzenden von Hybridembryonen implantiert, um mindestens einige Schwangerschaften zu erreichen, eine Strategie, die die Extraktion von Hunderten von Eiern erfordert. Da die Fortpflanzungsphysiologie der meisten gefährdeten Tiere so schlecht verstanden wird, sind sich die Forscher oft nicht sicher, wann die Tiere Eisprung haben und wie sie ihre Eier am besten bekommen. In einigen Fällen verhindern gesetzliche Schutzmaßnahmen, dass Wissenschaftler Eier von bedrohten Arten ernten. Aus all diesen Gründen wenden sie sich stattdessen vertrauteren heimischen Arten zu.
Die Injektion der DNA einer Spezies in das Ei einer anderen Spezies — selbst einer eng verwandten — erzeugt einen ungewöhnlichen hybriden Embryo, der sich im Mutterleib einer Leihmutter oft nicht richtig entwickelt. Hybride Embryonen haben die Kern-DNA der klonierten Spezies und die mitochondriale (mtDNA) DNA des Spendereies. Dieses Missverhältnis wird problematisch, wenn sich der Embryo entwickelt. Kern-DNA und mtDNA arbeiten zusammen; Beide enthalten genetische Rezepte für Proteine, mit denen Zellen Energie aus der Nahrung gewinnen. In einem hybriden Embryo passen diese Proteine nicht immer richtig zusammen, wodurch die Zellen nach Energie hungern. Erschwerend kommt hinzu, dass die Leihmutter den Hybridembryo oft ablehnt, weil sie einige Gewebe des Embryos, insbesondere die Plazenta, als fremd erkennt.
Ein weiteres Problem — und das bisher hartnäckigste — ist, dass ein durch Kerntransfer erzeugter Hybridembryo kein genetischer unbeschriebenes Blatt ist wie die meisten Embryonen. Alle Wirbeltiere beginnen ihr Leben als hohle Kugeln embryonaler Stammzellen, aus denen fast jede Art von adulter Zelle werden kann. Jede dieser Stammzellen enthält eine Kopie des exakt gleichen Genoms, verpackt in Chromosomen- enge Bündel von DNA und Histonproteinen. Während sich der Embryo entwickelt, nehmen die Stammzellen ihre erwachsenen Formen an: Einige werden zu Hautzellen, andere zu Herzzellen und so weiter. Verschiedene Arten von Zellen beginnen, verschiedene Muster von Genen zu exprimieren. In jeder Zelle interagiert eine Reihe von Molekülen und Enzymen mit DNA und Histonen, um die Genexpression zu verändern. Einige Moleküle, wie Methylgruppen, physikalisch blockieren zelluläre Maschinen aus den genetischen Anweisungen in bestimmten Segmenten der DNA zu lesen; einige Enzyme lockern die Bindungen zwischen Histonen und DNA und machen bestimmte Gene zugänglicher. Schließlich hat jeder Zelltyp — Hautzelle, Leberzelle, Gehirnzelle — das gleiche Genom, aber ein anderes Epigenom: ein einzigartiges Muster von Genen, die aktiv exprimiert oder effektiv zum Schweigen gebracht werden. Im Laufe der Zeit kann sich das Epigenom einer adulten Zelle je nach Lebenserfahrung des Tieres noch weiter verändern.
Wenn Forscher also einen adulten Zellkern in ein leeres Ei injizieren, bringt der Zellkern sein einzigartiges Epigenom mit. Wie Gurdons frühe Experimente in den 1950er Jahren und nachfolgende Studien gezeigt haben, ist ein Ei in der Lage, das Epigenom der eingeführten Kern—DNA zu löschen und den Schiefer sauber zu wischen – bis zu einem gewissen Grad. Dieser Prozess der „nuklearen Neuprogrammierung“ ist schlecht verstanden, und das Ei kann es oft nicht richtig abschließen, insbesondere wenn das Ei von einer Spezies und die Kern-DNA von einer anderen stammt. Unvollständige nukleare Neuprogrammierung ist einer der Hauptgründe, Wissenschaftler denken, für die vielen Entwicklungsstörungen, die Klone vor der Geburt töten und für die medizinischen Probleme, die vielen Überlebenden gemeinsam sind, wie extrem hohes Geburtsgewicht und Organversagen.
Einige Forscher sehen Wege, diese Probleme zu umgehen. Pasqualino Loi von der Universität Teramo in Italien war Teil eines Teams, das in den frühen 2000er Jahren erfolgreich gefährdete Mufflonschafe klonte; Die Klone starben innerhalb von sechs Monaten nach der Geburt. Loi und seine Kollegen glauben, dass sie die Überlebenschancen eines Hybridembryos im Mutterleib einer Leihmutter erhöhen können. Zunächst schlagen sie vor, dass Forscher einen Hybridembryo für kurze Zeit im Labor pflegen könnten, bis er sich zu einer sogenannten Blastozyste entwickelt — den kugelförmigen Anfängen eines Wirbeltiers, das aus einem äußeren Zellkreis, dem Trophoblasten, besteht, der einen Klumpen schnell teilender Stammzellen umgibt, der als innere Zellmasse bekannt ist. Schließlich wird der Trophoblast zur Plazenta. Forscher könnten die innere Zellmasse aus der hybriden Blastozyste schöpfen, schlägt Loi vor, und sie in einen leeren Trophoblasten transplantieren, der von derselben Spezies wie die Leihmutter stammt. Da die Leihmutter einen Trophoblasten ihrer eigenen Spezies weitaus seltener ablehnt, hat der sich entwickelnde Embryo eine viel bessere Überlebenschance.
Wissenschaftler haben auch herausgefunden, wie man die nukleare Neuprogrammierung fördert, indem man das Ei in bestimmten Verbindungen und Chemikalien wie Trichostatin A badet, die die Enzyme stimulieren oder hemmen, die das Epigenom einer Zelle bestimmen. Zuletzt produzierten Teruhiko Wakayama vom RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe, Japan, und seine Kollegen 581 geklonte Mäuse aus einer einzigen Spendermaus über 25 Generationen, wobei sie Trichostatin A verwendeten, um in einigen, aber nicht allen Generationen Erfolgsraten von bis zu 25 Prozent zu erzielen. Um die Nichtübereinstimmung von mtDNA und Kern-DNA zu lösen, schlägt Loi vor, einfach die native mtDNA des Eies zu entfernen und sie durch mtDNA aus der zu klonierenden Spezies zu ersetzen — etwas, das Forscher in den 1970er und 80er Jahren versuchten, aber in letzter Zeit aus unklaren Gründen nicht versucht haben.
Einige der erfolgreichsten Versuche, gefährdete Tiere in den letzten Jahren zu klonen, betrafen zwei der beliebtesten heimischen Arten – Katzen und Hunde. Am Audubon Center for Research of Endangered Species in New Orleans haben Martha Gomez und ihre Kollegen seit Mitte der 2000er Jahre viele afrikanische Wildkatzenklone geschaffen, die Hauskatzen als Ersatzmütter verwendeten. Gomez sagt, dass acht Klone bis ins Erwachsenenalter überlebt haben und heute alle gesund sind. Sie schreibt ihren Erfolg zum Teil der Tatsache zu, dass Wildkatzen und Hauskatzen viel enger miteinander verwandt sind als die meisten Wild- und Hauskatzen, die zum Zwecke des Klonens gepaart werden. Sie und ihr Team haben auch gelernt, die Erfolgsraten mit Kaiserschnitten zu erhöhen – um Klonen den Stress einer typischen Geburt zu ersparen – und neugeborene Klone einige Wochen lang auf der Intensivstation zu halten, als wären sie Frühgeborene. 2008 wurde B. C. Lee von der Seoul National University in Korea und seine Kollegen erzielten ähnliche Erfolge mit Haushunden, um drei gesunde männliche graue Wolfsklone zu erzeugen. Lees Team hatte zuvor zwei weibliche graue Wolfsklone geschaffen. Alle fünf Tiere überlebten bis ins Erwachsenenalter, bestätigt Lee.
Gomez arbeitet mit Schwarzfußkatzen, die in Afrika heimisch sind und auf der Roten Liste als „verletzlich“ aufgeführt sind, und konzentriert sich nun auf eine Methode des Klonens, die sich vom Kerntransfer unterscheidet. Sie versucht, adulte Zellen von Schwarzfußkatzen in Stammzellen umzuwandeln und diese Stammzellen anschließend zu Spermien und Eiern zu veranlassen. Dann konnte sie durch In-vitro-Fertilisation oder ähnliche Techniken Hauskatzen mit Schwarzfußkatzenembryonen imprägnieren. Alternativ könnten aus Stammzellen gewonnene Spermien und Eier verwendet werden, um Weibchen der gefährdeten Art zu imprägnieren.
Zu sagen, dass dieser Ansatz technisch anspruchsvoll ist, wäre eine Untertreibung, aber die Forscher haben beeindruckende Fortschritte gemacht. Im Jahr 2011 Jeanne Loring vom Scripps Research Institute in La Jolla, Kalifornien. und ihre Kollegen produzierten Stammzellen aus den gefrorenen Hautzellen von zwei gefährdeten Arten – dem nördlichen weißen Nashorn und einem baboonähnlichen Primaten, der als Bohrer bekannt ist. Und im Jahr 2012 verwandelten Katsuhiko Hayashi von der Kyoto University Graduate School of Medicine und Kollegen Hautzellen von erwachsenen Mäusen in Stammzellen, die sie dann in lebensfähige Eier verwandelten. Nach der Befruchtung der Eier mit Sperma in Reagenzgläsern implantierten die Forscher die Embryonen in Leihmuttermäuse, die gesunde und fruchtbare Nachkommen zur Welt brachten.
„Ich sage nicht, dass das Klonen gefährdete Arten retten wird“, sagt Gomez, „aber ich glaube immer noch an das Klonen als ein weiteres Werkzeug. Es ist jedoch nicht einfach. Die Forschung bewegt sich langsam.“
Teramos Loi bleibt ebenfalls optimistisch. Er ist der Meinung, dass Wissenschaftler weiterhin die genetische Information gefährdeter Tiere sammeln und bewahren sollten, wie es Brasilien getan hat, indem es Biobanken mit Gewebe auf Eis geschaffen hat, wie den „Frozen Zoo“ am San Diego Zoo Institute for Conservation Research. Wenn es Forschern gelingt, die Effizienz des Klonens wilder und gefährdeter Tiere dramatisch zu steigern — sei es durch Kerntransfer oder In-vitro-Fertilisation -, dann wartet die DNA, die sie benötigen, auf sie. Wenn sie dies nicht tun, werden Biobanken immer noch für mehr Grundlagenforschung nützlich sein. „Sobald das Klonen gefährdeter Tiere richtig etabliert ist, wird es ein sehr mächtiges Werkzeug sein“, sagt Loi. „Wenn etwas getan werden kann, wird es in 10 Jahren getan werden.“