2009—ben a brazil Agricultural Research Corp. (Embrapa) és a Brasilia Zoological Garden megkezdte a vér, a sperma és a köldökzsinór sejtek gyűjtését és fagyasztását az elhullott vadállatoktól, főleg a Cerrado szavannán-a trópusi erdők és gyepek ökoszisztémáinak hihetetlenül változatos gyűjteményében, amely legalább 10 000 növényfajnak és több mint 800 madár-és emlősfajnak ad otthont, amelyek közül néhány sehol máshol nem él a világon. Példányokat gyűjtöttek a bokor kutya, galléros hangyász, bölény és szürke brocket szarvas, többek között a fajok.
az ötlet az volt, hogy megőrizzék Brazília veszélyeztetett vadvilágának genetikai információit. Egy nap a szervezetek úgy érveltek, hogy az összegyűjtött DNS-t felhasználhatják veszélyeztetett állatok klónozására és a csökkenő populációk támogatására. Eddig a két intézmény legalább 420 szövetmintát gyűjtött össze. Most együttműködnek egy kapcsolódó projektben, amely felhasználja a DNS-t ezekben a mintákban, hogy javítsa a tenyésztési és klónozási technikákat. A jelenlegi klónozási technikák átlagos sikerességi aránya kevesebb, mint 5 százalék, még akkor is, ha ismerős fajokkal dolgoznak; a vadon élő állatok klónozása általában kevesebb, mint 1 százalék sikeres.
minden olyan állat, amely Brazília új vállalkozása során született, a brazíliai állatkertben fog élni-mondja Carlos Martins, az Embrapa kutatója. A vadon élő állatok fogságban tartott populációinak bővülése reményei szerint elriasztja az állatkerteket és a kutatókat attól, hogy még több vadállatot vegyenek ki őshonos élőhelyeikből. Martins és kollégái még nem döntöttek arról, hogy melyik fajt próbálják klónozni, de a sörényes farkas és a jaguár erős jelöltek. A Nemzetközi Természetvédelmi Unió mindkét állatot “fenyegetett” kategóriába sorolja a veszélyeztetett fajok vörös listáján, két szint alatt “veszélyeztetett.”
sok kutató egyetért abban, hogy jelenleg a klónozás nem megvalósítható vagy hatékony védelmi stratégia. Először is, egyes természetvédők rámutatnak, a klónozás nem foglalkozik azokkal az okokkal, amelyek miatt sok állat eleve veszélybe kerül—nevezetesen a vadászattal és az élőhelyek pusztításával. Még ha a klónozás elméletileg valóban kétségbeesett helyzetekben is segíthet, a jelenlegi klónozási technikák egyszerűen túl hatástalanok ahhoz, hogy nagy különbséget tegyenek. Összehasonlítva a házi fajok—Különösen a szarvasmarhák-klónozásával, amelyeket évek óta sikeresen klónoznak a kívánatos tulajdonságok megismétlése érdekében—a veszélyeztetett fajok klónozása számos okból sokkal nehezebb.
a sikeres klónozás általában legalább három alapvető összetevőt foglal magában: a klónozandó állat DNS-ét; egy életképes petesejtet, amely megkapja ezt a DNS-t; és egy anyát, amely a kapott embriót kihordja. Gyakran több száz embrióra és terhességi kísérletre van szükség ahhoz, hogy akár néhány klónt is előállítsanak. A tudósok általában rosszul értik a veszélyeztetett állatok reproduktív fiziológiáját, ami túl kockázatossá teszi, hogy elegendő számú tojást nyerjenek ki az adott fajból, vagy az adott faj nőstényeire támaszkodjanak klónok szüléséhez. A jogi védelem néha kizárja a veszélyeztetett fajokat az ilyen eljárásokból is. Ennek kompenzálására a kutatók egy veszélyeztetett faj DNS-ét egyesítik egy szorosan rokon faj tojásaival, és az utóbbiakból kiválasztják az anyákat. Az ilyen hibrid embriók gyakran nem fejlődnek megfelelően.
bár tisztában vannak ezekkel a problémákkal, Martins és kollégái, valamint néhány más tudós a világon, úgy gondolják, hogy érdemes erőfeszítéseket tenni a veszélyeztetett vadon élő állatok genetikai információinak archiválására. Egyes kutatók továbbra is optimisták, hogy a klónozás a jövőben a megőrzés hasznos eszközévé válik. Az optimisták rámutatnak a vadon élő emlősök klónozásának közelmúltbeli sikereire, szorosan rokon háziasított fajok felhasználásával, a klónozott embrió fejlődési rendellenességeinek megelőzésére szolgáló jobb technikákra, az újszülött klónok jobb újszülött gondozására és a fagyasztott szövetből származó őssejtek által lehetővé tett in vitro megtermékenyítésre.
az első klónok
az 1950-es évek elején, a Philadelphiai Lankenau Kórház Kutatóintézetében, Robert Briggs és Thomas King sikeresen klónozott 27 északi leopárdbékát egy nukleáris transzferként ismert eljárással. A sejtmag, amelyet gyakran a sejt parancsnoki központjának neveznek, tartalmazza a gerinces DNS—ének nagy részét-kivéve a bab alakú DNS-t, energiatermelő organellák nevezett mitokondriumok. Briggs és King kiürítették a békatojásokat a magjukból, kiszívták a magokat a béka embriók sejtjeiből, és befecskendezték azokat az üres petékbe. A tojások közül sok olyan ebihalakká fejlődött, amelyek genetikailag azonosak voltak azokkal az embriókkal, amelyek nukleáris DNS-t adományoztak.
1958-ban John Gurdon, majd az Oxfordi Egyetemen kollégáival békákat klónozott a teljesen kialakult ebihalak sejtjeiből kivont nukleáris DNS-sel. Az embrionális sejtekkel ellentétben, amelyek genetikailag elég rugalmasak ahhoz, hogy különféle szövetekké váljanak, az ebihal sejtjei “differenciálódnak”—vagyis az általuk expresszált gének mintái megváltoztak, hogy illeszkedjenek egy adott sejttípus profiljához: például bőr, szem vagy szívsejt. Gurdon bebizonyította, hogy amikor egy petesejtbe ültetik át, az érett sejtből származó nukleáris DNS visszatér az embrió sejtjeiben a DNS-re jellemző sokoldalúbb állapotba. Ez az áttörés arra ösztönözte a tudósokat, hogy sokkal nagyobb állatokat próbáljanak klónozni felnőtt sejtekből származó DNS felhasználásával.
1996-ban Skóciában kutatók megkíséreltek klónozni egy nőstény Finn-dorseti juhot. A tőgysejtjeiből kivont magokat közel 300 üres tojásba injektálták, amelyek egy másik juhfajtából, a skót blackfaces-ből származnak. Az elkészített tojások közül a tudósoknak több mint 30 embriót sikerült létrehozniuk. Ezek közül az embriók közül csak öt fejlődött bárányokká, miután beültették őket a skót fekete arcú helyettesítőbe. És csak egy bárány élte túl a felnőttkort. A kutatók Dolly-nak nevezték el.
azóta néhány biológus többször felvetette, hogy a klónozás segíthet megmenteni a veszélyeztetett fajokat, különösen olyan súlyos helyzetekben, amikor csak néhány tucat vagy maroknyi állat marad. Minél kisebb, homogénebb és beltenyésztettebb egy populáció, annál fogékonyabb egyetlen káros genetikai mutációra vagy betegségre. A klónok elméletileg növelhetik a veszélyeztetett populáció genetikai sokféleségét, ha a kutatók hozzáférhetnek sok különböző egyén megőrzött DNS-éhez. Legalábbis a klónok stabilizálhatják a csökkenő populációt. Egyes kutatók azt állítják, hogy egy genetikailag homogén, de stabil populáció jobb lenne, mint a kihalás; néhány erősen beltenyésztett vadon élő állatcsoport, mint például az angliai Chillingham szarvasmarha, évszázadokon át remekül fennmaradt.
az egyik faj, amely számára előnyös lehet a klónozás, az északi fehér orrszarvú, amely Afrikában őshonos. 1960-ban a globális északi fehér orrszarvú populáció több mint 2000 fő volt, de az orvvadászat ma már 11-re csökkentette számát. Az utolsó szám szerint három állatkertben él—kettő San Diegóban és egy a Cseh Köztársaságban—négy A kenyai Ol Pejeta Conservancy-ban él, és a meg nem erősített jelentések alapján még mindig csak négy egyed élhet vadon, de évek óta nem látták őket. A fogságban tartott állatok többségét nem érdekli a párzás vagy a terméketlenség, bár két orrszarvú 2012 nyarán párosodott.
jelenleg azonban nem valószínű, hogy a klónozás segítene a fehér orrszarvún vagy bármely más veszélyeztetett fajon. A veszélyeztetett állatok klónozásának története a mai napig egyike néhány nagy horderejű sikernek és sok-sok kudarcnak. A 2000-es évek eleje óta, ugyanazzal a technikával, amely Dolly-t hozta létre, a kutatók számos veszélyeztetett, sőt kihalt emlősöt klónoztak, köztük egy muflon juhot és egy gaur néven ismert szarvasmarhát 2001-ben; egyfajta vadon élő szarvasmarhát, amelyet bantengnek hívtak 2003-ban; egy Vadkecskét, amelyet Pireneusi ibexnek hívtak 2009-ben; és vadon élő prérifarkasokat 2012-ben. Minden esetben sokkal több klón halt meg a születés előtt, mint túlélte; a legtöbb esetben egyik klón sem élte túl a felnőttkort.
Mismatched
a veszélyeztetett vagy kihalt állatok klónjainak kísérletei különböző okokból különböző módon haltak meg, de mindannyian egy alapvető problémát osztottak meg—nem voltak társaik pontos másolatai. A legtöbb esetben a kutatók a veszélyeztetett fajok DNS-ét kombinálták egy rokon házi faj tojásaival. Minden helyettes anyát gyakran több tucat hibrid embrióval ültetnek be legalább néhány terhesség elérése érdekében, ez a stratégia több száz tojás kinyerését igényli. Mivel a legtöbb veszélyeztetett állat reproduktív fiziológiája olyan kevéssé ismert, a kutatók gyakran nem tudják, mikor peteérés és hogyan lehet a legjobban megszerezni a petéket. Bizonyos esetekben a jogi védelem megakadályozza a tudósokat abban, hogy a veszélyeztetett fajok tojásait betakarítsák. Mindezen okok miatt inkább az ismertebb hazai fajokhoz fordulnak.
az egyik faj DNS—ének egy másik faj-még egy közeli rokon-petesejtjébe történő befecskendezése szokatlan hibrid embriót hoz létre, amely gyakran nem fejlődik megfelelően a pótanya méhében. A hibrid embriók a klónozott Fajok nukleáris DNS-ével és a donor petesejt mitokondriális (mtDNS) DNS-ével rendelkeznek. Ez az eltérés problematikussá válik az embrió fejlődésével. A nukleáris DNS és az mtDNS együtt dolgoznak; mindkettő genetikai recepteket tartalmaz olyan fehérjékhez, amelyekkel a sejtek energiát nyernek az élelmiszerből. Egy hibrid embrióban ezek a fehérjék nem mindig illeszkednek megfelelően egymáshoz, ami a sejteket energiára éhezteti. A helyzetet tovább bonyolítja, hogy a helyettes anya gyakran elutasítja a hibrid embriót, mert felismeri az embrió szöveteinek egy részét, különösen a placentát, idegennek.
egy másik probléma – és eddig a legnehezebb-az, hogy a nukleáris transzferrel létrehozott hibrid embrió nem genetikai üres lap, mint a legtöbb embrió. Minden gerinces az embrionális őssejtek üreges gömbjeként kezdi az életet, amely szinte bármilyen felnőtt sejtté válhat. Mindegyik őssejt pontosan ugyanannak a genomnak a másolatát tartalmazza, amely kromoszómákba van csomagolva—a DNS és a hiszton fehérjék szoros kötegeibe. Az embrió fejlődésével az őssejtek felnőtt formájukba kezdenek: egyesek bőrsejtekké válnak, mások szívsejtekké stb. A különböző típusú sejtek különböző génmintákat kezdenek kifejezni. Minden sejten belül molekulák és enzimek sora lép kölcsönhatásba a DNS-sel és a hisztonokkal, hogy megváltoztassa a génexpressziót. Egyes molekulák, például a metilcsoportok, fizikailag blokkolják a sejtgépeket abban, hogy elolvassák a genetikai utasításokat a DNS bizonyos szegmenseiben; egyes enzimek lazítják a hisztonok és a DNS közötti kötéseket, így bizonyos gének hozzáférhetőbbé válnak. Végül minden sejttípusnak—bőrsejtnek, májsejtnek, agysejtnek-ugyanaz a genomja, de más epigenómája van: az aktívan expresszált vagy hatékonyan elhallgattatott gének egyedi mintája. Idővel egy felnőtt sejt epigenómája még tovább változhat, az állat élettapasztalataitól függően.
tehát amikor a kutatók egy felnőtt sejtmagot injektálnak egy üres petesejtbe, a mag magával hozza egyedi epigenómáját. Ahogy Gurdon korai kísérletei az 1950—es években és az azt követő tanulmányok kimutatták, egy tojás képes kitörölni a bevezetett nukleáris DNS epigenómáját, tisztára törölve a Palát-bizonyos mértékig. A “nukleáris újraprogramozás” folyamata kevéssé ismert, és a tojás gyakran nem tudja megfelelően befejezni, különösen akkor, ha a tojás az egyik fajból, a nukleáris DNS pedig egy másik fajból származik. A hiányos nukleáris újraprogramozás az egyik fő oka annak a sok fejlődési rendellenességnek, amely a klónokat a születés előtt megöli, valamint a sok túlélő számára közös orvosi problémáknak, például a rendkívül magas születési súlynak és a szervi elégtelenségnek.
néhány kutató látja ezeket a problémákat. Pasqualino Loi a Teramói Egyetem Olaszországban egy olyan csapat része volt, amely a 2000-es évek elején sikeresen klónozta a veszélyeztetett muflon juhokat; a klónok a születéstől számított hat hónapon belül elpusztultak. Loi és kollégái úgy vélik, hogy növelhetik annak esélyét, hogy egy hibrid embrió túlélje a béranya méhében. Első, azt javasolják, a kutatók rövid ideig táplálhatnak egy hibrid embriót a laboratóriumban, amíg az úgynevezett blasztocisztává nem fejlődik—egy gerinces gömb alakú kezdete, amely egy külső sejtkörből áll, a trofoblaszt, körülvéve a gyorsan osztódó őssejtek csomóját, amelyet belső sejttömegnek neveznek. Végül a trofoblaszt lesz a placenta. A kutatók a hibrid blasztocisztából kinyerhetik a belső sejttömeget, és átültethetik egy üres trofoblasztba, amely ugyanabból a fajból származik, mint a helyettes anya. Mivel a helyettes anya sokkal kevésbé valószínű, hogy elutasítja a trofoblasztot a saját fajából, a fejlődő embriónak sokkal nagyobb esélye van a túlélésre.
a tudósok azt is kitalálták, hogyan lehet ösztönözni a nukleáris újraprogramozást azáltal, hogy a petesejtet bizonyos vegyületekben és vegyi anyagokban, például a trichostatin a-ban fürdik, amelyek stimulálják vagy gátolják a sejt epigenómáját meghatározó enzimeket. Legutóbb Teruhiko Wakayama, a japán Kobe-I Riken Fejlődésbiológiai Központ munkatársa és kollégái 581 klónozott egeret állítottak elő egyetlen donor egérből 25 generáción keresztül, trichostatin A-t használva, hogy néhány, de nem minden generációban 25% – os sikerarányt érjenek el. Az mtDNS és a nukleáris DNS eltérésének megoldása érdekében Loi azt javasolja, hogy egyszerűen távolítsák el a petesejt natív mtDNS—ét, és helyettesítsék azt a klónozandó faj mtDNS-ével-amit a kutatók az 1970-es és 80-as években próbáltak meg, de a közelmúltban nem próbálták meg tisztázatlan okok miatt.
az elmúlt évek legsikeresebb kísérletei a veszélyeztetett állatok klónozására a két legkedveltebb hazai faj, a macskák és a kutyák voltak. A New Orleans-i Audubon veszélyeztetett fajok Kutatóközpontjában Martha Gomez és kollégái számos afrikai vadmacska klónt hoztak létre a 2000-es évek közepe óta, házi macskákat használva pótanyaként. Gomez szerint eddig nyolc klón élte túl a felnőttkort, és mind egészségesek. Sikereit részben annak tulajdonítja, hogy a vadmacskák és a házimacskák sokkal szorosabb kapcsolatban állnak egymással, mint a legtöbb vadon élő és háziasított faj, amelyet klónozás céljából párosítanak. Ő és csapata azt is megtanulta, hogy növelje a sikerességi arányt a császármetszéssel—hogy megkímélje a klónokat egy tipikus szülés stresszétől -, és hogy az újszülött klónokat néhány hétig intenzív ellátásban tartsa, mintha koraszülöttek lennének. 2008-Ban KR. E. Lee, a Koreai Szöuli Nemzeti Egyetem munkatársa és kollégái hasonló sikereket értek el házi kutyákkal, hogy három egészséges hím szürke farkas klónt hozzanak létre. Lee csapata korábban két nőstény szürke farkas klónt hozott létre. Mind az öt állat túlélte a felnőttkort, Lee megerősíti.
a fekete lábú macskákkal, amelyek Afrikában őshonosak, és a vörös listán “sebezhetőnek” szerepelnek, Gomez most egy olyan klónozási módszerre összpontosít, amely különbözik a nukleáris transzfertől. Megpróbálja a fekete lábú macskák felnőtt sejtjeit őssejtekké alakítani, majd ezeket az őssejteket spermává és petesejtekké indukálni. Ezután in vitro megtermékenyítéssel vagy hasonló technikákkal impregnálhatta a házi macskákat fekete lábú macska embriókkal. Alternatív megoldásként az őssejtből származó spermiumok és petesejtek felhasználhatók a veszélyeztetett fajok nőstényeinek megtermékenyítésére.
azt mondani, hogy ez a megközelítés technikailag kihívást jelent, alulbecslés lenne, de a kutatók lenyűgöző haladást értek el. 2011-ben Jeanne Loring, a kaliforniai La Jolla-i Scripps Kutatóintézet munkatársa. kollégái két veszélyeztetett faj—az északi fehér orrszarvú és a fúróként ismert baboonszerű főemlős-megfagyott bőrsejtjeiből állítottak elő őssejteket. 2012-ben Katsuhiko Hayashi, a Kiotói Egyetem Orvostudományi Karának munkatársa és kollégái felnőtt egerek bőrsejtjeit őssejtekké alakították, amelyeket aztán életképes petesejtekké alakítottak át. Miután a petesejteket kémcsövekben spermával megtermékenyítették, a kutatók az embriókat olyan helyettesítő anyaegerekbe ültették be, amelyek egészséges és termékeny utódokat hoztak létre.
“nem azt mondom, hogy a klónozás megmenti a veszélyeztetett fajokat” – mondja Gomez -, de még mindig hiszek a klónozásban, mint egy másik eszközben. De nem könnyű. A kutatás lassan halad.”
Teramo Loi továbbra is optimista. Úgy véli, hogy a tudósoknak folytatniuk kell a veszélyeztetett állatok genetikai információinak gyűjtését és megőrzését, ahogy Brazília tette, létrehozva a jégen lévő szövetek biobankjait, például a San Diego Állatkert természetvédelmi Kutatóintézetének “fagyasztott állatkertjét”. Ha a kutatóknak sikerül drasztikusan növelniük a vadon élő és veszélyeztetett állatok klónozásának hatékonyságát-akár nukleáris transzferrel, akár in vitro megtermékenyítéssel—, akkor a szükséges DNS vár rájuk. Ha nem, akkor a biobankok továbbra is hasznosak lesznek az alapkutatáshoz. “Amint a veszélyeztetett állatok klónozása megfelelően létrejön, ez nagyon hatékony eszköz lesz” – mondja Loi. “Ha valamit meg lehet tenni, az 10 év múlva megtörténik.”