w 2009 r.Brazilian Agricultural Research Corp. (Embrapa) i Brasilia Zoological Garden zaczęły pobierać i zamrażać krew, spermę i komórki pępowiny z padliny i innych dzikich zwierząt, które zginęły, głównie na sawannie Cerrado—niezwykle różnorodnej kolekcji tropikalnych ekosystemów leśnych i trawiastych, w których żyje co najmniej 10 000 gatunków roślin i ponad 800 gatunków ptaków i ssaków, z których niektóre nie żyją nigdzie indziej na świecie. Okazy pozyskano m.in. od psa krzaczastego, mrówkojada obrożnego, żubra i sarny szarej.
chodziło o zachowanie informacji genetycznej o zagrożonej faunie Brazylii . Pewnego dnia organizacje uznały, że mogą wykorzystać zebrane DNA do klonowania zagrożonych zwierząt i wzmocnienia malejącej populacji. Do tej pory obie instytucje zebrały co najmniej 420 próbek tkanek. Teraz współpracują nad powiązanym projektem, który wykorzysta DNA w tych okazach do poprawy technik hodowli i klonowania. Obecne techniki klonowania mają średni wskaźnik sukcesu mniejszy niż 5 procent, nawet w przypadku pracy ze znanymi gatunkami; klonowanie dzikich zwierząt jest zwykle mniej niż 1 procent sukcesu.
wszystkie zwierzęta urodzone podczas nowego przedsięwzięcia w Brazylii będą mieszkać w Brasilia Zoo, mówi badacz Embrapa Carlos Martins. Wraz ze swoim zespołem ma nadzieję, że zwiększenie populacji dzikich zwierząt w niewoli zniechęci ogrodów zoologicznych i naukowców do zabierania jeszcze większej liczby dzikich zwierząt z ich rodzimych siedlisk. Martins i jego koledzy nie zdecydowali jeszcze, który gatunek będą próbowali sklonować, ale grzywiasty Wilk i jaguar są silnymi kandydatami. Międzynarodowa Unia Ochrony Przyrody klasyfikuje oba zwierzęta jako ” bliskie zagrożenia „na Czerwonej Liście Gatunków Zagrożonych, dwa poziomy poniżej „zagrożonych”.”
wielu badaczy zgadza się, że obecnie klonowanie nie jest wykonalną lub skuteczną strategią ochrony. Po pierwsze, niektórzy konserwatorzy zwracają uwagę, że klonowanie nie odnosi się do powodów, dla których wiele zwierząt staje się zagrożonych w pierwszej kolejności-a mianowicie do polowań i niszczenia siedlisk. Nawet jeśli klonowanie teoretycznie może pomóc w naprawdę desperackich sytuacjach, obecne techniki klonowania są po prostu zbyt nieskuteczne, aby wiele zmienić. W porównaniu z klonowaniem gatunków krajowych-zwłaszcza bydła, które od lat z powodzeniem klonowano w celu powielenia pożądanych cech-klonowanie zagrożonych gatunków jest znacznie trudniejsze z wielu powodów.
udane klonowanie zazwyczaj obejmuje co najmniej trzy istotne składniki: DNA zwierzęcia, które ma zostać sklonowane; zdolne do życia jajo, aby otrzymać to DNA; i matka, aby zapłodnić powstały zarodek. Często setki zarodków i prób ciąży są potrzebne do wytworzenia nawet kilku klonów. Naukowcy zwykle mają słabe zrozumienie fizjologii reprodukcyjnej zagrożonych zwierząt, co sprawia, że zbyt ryzykowne jest wydobycie wystarczającej liczby jaj z tego gatunku lub poleganie na samicach tego gatunku, aby urodzić klony. Ochrona prawna czasami uniemożliwia również takie procedury zagrożonym gatunkom. Aby to zrekompensować, naukowcy łączą DNA zagrożonego gatunku z jajami blisko spokrewnionego gatunku i wybierają matki z tego ostatniego. Takie zarodki hybrydowe często nie rozwijają się prawidłowo.
chociaż są świadomi tych problemów, Martins i jego współpracownicy, a także kilku innych naukowców na całym świecie, uważają, że wysiłki na rzecz archiwizacji informacji genetycznej zagrożonej przyrody są warte zachodu. Niektórzy badacze są optymistami, że klonowanie stanie się użytecznym narzędziem ochrony w przyszłości. Optymiści wskazują na niedawne sukcesy w klonowaniu dzikich ssaków przy użyciu blisko spokrewnionych gatunków domowych, ulepszone techniki zapobiegania nieprawidłowościom rozwojowym w klonowanym zarodku, lepszą opiekę noworodków nad klonami noworodków i zapłodnienie in vitro możliwe dzięki komórkom macierzystym pochodzącym z zamrożonej tkanki.
pierwsze klony
na początku lat 50., w Instytucie Badawczym szpitala Lankenau w Filadelfii, Robert Briggs i Thomas King pomyślnie sklonowali 27 żab lamparta Północnego w procesie znanym jako transfer jądrowy. Jądro, często nazywane centrum dowodzenia komórki, zawiera większość DNA kręgowców-z wyjątkiem DNA w kształcie fasoli, generujących energię organelli zwanych mitochondriami. Briggs i King opróżnili jaja żab ze swoich jąder, wyssali jądra z komórek zarodków żab i wstrzyknęli je do pustych jaj. Wiele z jaj rozwinęło się w kijanki, które były genetycznie identyczne z embrionami, które przekazały swoje jądrowe DNA.
w 1958 roku John Gurdon, wówczas na Uniwersytecie w Oksfordzie, wraz z kolegami sklonował żaby za pomocą jądrowego DNA wyekstrahowanego z komórek w pełni uformowanych kijanek. W przeciwieństwie do komórek embrionalnych, które są wystarczająco giętkie genetycznie, aby stać się różnymi tkankami, komórki kijanki są „zróżnicowane”—to znaczy wzory genów, które wyrażają, zmieniły się tak, aby pasowały do profilu określonego typu komórki: na przykład skóry, oka lub komórki serca. Gurdon wykazał, że po przeszczepieniu do jaja, jądrowe DNA z dojrzałej komórki powraca do bardziej wszechstronnego stanu charakterystycznego dla DNA w komórkach zarodka. Ten przełom zachęcił naukowców do klonowania znacznie większych zwierząt przy użyciu DNA z dorosłych komórek.
w 1996 roku naukowcy w Szkocji próbowali sklonować samicę owcy Finn-Dorset. Wstrzyknęli jądra wyekstrahowane z jej komórek wymionowych do prawie 300 pustych jaj pochodzących ze szkockich czarnych twarzy, innej rasy owiec. Z przygotowanych jaj udało się naukowcom stworzyć ponad 30 zarodków. Tylko pięć z tych embrionów rozwinęło się w jagnięta po wszczepieniu ich w zastępcze szkockie Czarne twarze. I tylko jeden z tych jagniąt przetrwał do dorosłości. Badacze nazwali ją Dolly.
od tego czasu niektórzy biolodzy wielokrotnie sugerowali, że klonowanie może pomóc w ratowaniu zagrożonych gatunków, zwłaszcza w tragicznych sytuacjach, w których pozostało zaledwie kilkadziesiąt lub kilka zwierząt. Im mniejsza, bardziej jednorodna i bardziej wsobna populacja, tym bardziej podatna jest na pojedynczą szkodliwą mutację genetyczną lub chorobę. Klony mogą teoretycznie zwiększyć różnorodność genetyczną zagrożonej populacji, jeśli badacze mają dostęp do zachowanego DNA od wielu różnych osobników. Przynajmniej klony mogą ustabilizować malejącą populację. Niektórzy badacze twierdzą, że genetycznie jednorodna, ale stabilna populacja byłaby lepsza niż wymieranie; niektóre wysoce wsobne grupy dzikich zwierząt, takie jak bydło Chillingham w Anglii, przetrwały w porządku przez setki lat.
jednym z gatunków, które mogą skorzystać z klonowania, jest północny nosorożec biały, który pochodzi z Afryki. W 1960 roku światowa populacja nosorożca białego wynosiła ponad 2000 osób, ale kłusownictwo zmniejszyło ich liczebność do zaledwie 11. Według ostatnich obliczeń, trzy żyją w ogrodach zoologicznych-dwa w San Diego i jeden w Czechach-cztery żyją w Ol Pejeta Conservancy w Kenii, a na podstawie niepotwierdzonych doniesień nawet cztery osobniki mogą nadal żyć na wolności, ale nie zostały zauważone od kilku lat. Większość zwierząt żyjących w niewoli nie jest zainteresowana kryciem lub bezpłodnością, chociaż dwa nosorożce zostały splecione Latem 2012 roku.
teraz jednak klonowanie raczej nie pomoże nosorożcowi białemu ani żadnemu innemu zagrożonemu gatunkowi. Do tej pory historia klonowania zagrożonych zwierząt jest jednym z kilku znaczących sukcesów i wielu, wielu porażek. Od wczesnych lat 2000, stosując tę samą technikę, która wyprodukowała Dolly, naukowcy sklonowali kilka zagrożonych, a nawet wymarłych ssaków, w tym owcę muflonową i bydło znane jako gaur w 2001 r.; rodzaj dzikiego bydła o nazwie banteng w 2003 r.; dziką kozę znaną jako ibex Pirenejski w 2009 r.; i dzikie kojoty w 2012 r. W każdym przypadku o wiele więcej klonów zmarło przed urodzeniem, niż przeżyło; w większości przypadków żaden z klonów nie przetrwał do dorosłości.
niedopasowane
wszystkie te próbowane klony zagrożonych lub wymarłych zwierząt ginęły w różny sposób z różnych powodów, ale wszystkie dzieliły jeden podstawowy problem—nie były dokładnymi replikami swoich odpowiedników. W większości przypadków badacze łączyli DNA zagrożonych gatunków z jajami pokrewnych gatunków krajowych. Każda matka zastępcza jest często wszczepiana dziesiątkom zarodków hybrydowych w celu osiągnięcia co najmniej kilku ciąż, co wymaga ekstrakcji setek jaj. Ponieważ fizjologia reprodukcyjna najbardziej zagrożonych zwierząt jest tak słabo poznana, naukowcy często nie są pewni, kiedy zwierzęta owulują i jak najlepiej zdobyć ich jaja. W niektórych przypadkach prawne zabezpieczenia uniemożliwiają naukowcom zbieranie jaj z zagrożonych gatunków. Z tych wszystkich powodów zwracają się do bardziej znanych gatunków domowych.
wstrzyknięcie DNA jednego gatunku do jaja innego gatunku-nawet blisko spokrewnionego-tworzy niezwykły Hybrydowy zarodek, który często nie rozwija się prawidłowo w łonie matki zastępczej. Zarodki hybrydowe mają jądrowe DNA klonowanych gatunków i mitochondrialne (mtDNA) DNA komórki jajowej dawcy. To niedopasowanie staje się problematyczne w miarę rozwoju zarodka. Jądrowe DNA i mtDNA współpracują ze sobą; oba zawierają genetyczne receptury na białka, dzięki którym komórki pobierają energię z pożywienia. W zarodku hybrydowym białka te nie zawsze pasują do siebie prawidłowo, co pozostawia komórki głodne energii. Komplikując sprawy, matka zastępcza często odrzuca zarodek Hybrydowy, ponieważ rozpoznaje niektóre tkanki zarodka, zwłaszcza łożysko, jako obce.
innym problemem-i najbardziej trudnym do rozwiązania do tej pory-jest to, że Hybrydowy zarodek stworzony przez transfer jądrowy nie jest genetyczną pustą tablicą, jak większość zarodków. Wszystkie kręgowce rozpoczynają życie jako wydrążone kulki embrionalnych komórek macierzystych, które mogą stać się prawie każdym rodzajem dorosłej komórki. Każda z tych komórek macierzystych zawiera kopię dokładnie tego samego genomu zapakowanego w chromosomy-ciasne wiązki DNA i białek histonowych. W miarę rozwoju zarodka komórki macierzyste zaczynają przybierać dorosłe formy: niektóre stają się komórkami skóry, inne komórkami serca i tak dalej. Różne typy komórek zaczynają wyrażać różne wzorce genów. Wewnątrz każdej komórki szereg cząsteczek i enzymów oddziałuje z DNA i histonami w celu zmiany ekspresji genów. Niektóre cząsteczki, takie jak grupy metylowe, fizycznie blokują mechanizmy komórkowe przed odczytaniem instrukcji genetycznych w niektórych segmentach DNA; niektóre enzymy rozluźniają wiązania między histonami i DNA, dzięki czemu poszczególne geny są bardziej dostępne. Ostatecznie każdy typ komórki-komórka skóry, komórka wątroby, komórka mózgu-ma ten sam Genom, ale inny epigenom: unikalny wzór genów, które są aktywnie wyrażane lub skutecznie wyciszane. Z czasem epigenom dorosłej komórki może się jeszcze bardziej zmieniać, w zależności od doświadczeń życiowych zwierzęcia.
kiedy więc naukowcy wstrzykują jądro dorosłej komórki do pustego jaja, jądro przynosi ze sobą swój unikalny epigenom. Jak wykazały wczesne eksperymenty Gurdona w latach 50. i późniejsze badania, jajo jest w stanie wymazać epigenom wprowadzonego jądrowego DNA, wycierając łupek czysty—do pewnego stopnia. Ten proces „przeprogramowania jądrowego” jest słabo poznany, a jajo często nie wypełnia go prawidłowo, zwłaszcza gdy jajo pochodzi z jednego gatunku, a DNA jądrowe z innego. Niekompletne przeprogramowanie jądrowe jest jednym z głównych powodów, naukowcy uważają, dla wielu zaburzeń rozwojowych, które zabijają klony przed urodzeniem i problemów medycznych wspólnych dla wielu ocalałych, takich jak bardzo wysoka masa urodzeniowa i niewydolność narządów.
niektórzy badacze widzą sposoby obejścia tych problemów. Pasqualino Loi z Uniwersytetu Teramo we Włoszech był częścią zespołu, który z powodzeniem sklonował zagrożone Owce muflonowe na początku 2000 roku; klony zmarły w ciągu sześciu miesięcy od urodzenia. Loi i jego współpracownicy uważają, że mogą zwiększyć szanse na przetrwanie zarodka hybrydowego w łonie matki zastępczej. Po pierwsze, naukowcy proponują, że naukowcy mogą pielęgnować Hybrydowy zarodek przez krótki czas w laboratorium, dopóki nie rozwinie się w coś, co jest znane jako blastocysta—kuliste początki kręgowca złożonego z zewnętrznego kręgu komórek, trofoblastu, otaczającego kępę szybko dzielących się komórek macierzystych, znaną jako wewnętrzna masa komórkowa. Ostatecznie trofoblast staje się łożyskiem. Naukowcy mogli pobrać wewnętrzną masę komórkową z hybrydowej blastocysty, sugeruje Loi, i przeszczepić ją do pustego trofoblastu pochodzącego z tego samego gatunku, co matka zastępcza. Ponieważ matka zastępcza jest znacznie mniej skłonna do odrzucenia trofoblastu z własnego gatunku, rozwijający się embrion ma znacznie większe szanse na przeżycie.
naukowcy odkryli również, jak zachęcać do przeprogramowania jądrowego przez kąpiel jaja w pewnych związkach i chemikaliach, takich jak trichostatyna A, które stymulują lub hamują enzymy determinujące epigenom komórki. Ostatnio Teruhiko Wakayama z RIKEN Center for Developmental Biology w Kobe w Japonii i jego współpracownicy wyprodukowali 581 sklonowanych myszy od pojedynczej myszy dawcy w ciągu 25 pokoleń, używając trichostatyny A, aby osiągnąć wskaźnik sukcesu aż 25 procent w niektórych, ale nie wszystkich pokoleniach. Aby rozwiązać niedopasowanie mtDNA i jądrowego DNA, Loi sugeruje po prostu usunięcie rodzimego mtDNA jaja i zastąpienie go mtDNA z gatunku, który ma zostać sklonowany—coś, co naukowcy próbowali w latach 70. i 80., ale nie próbowali ostatnio z niejasnych powodów.
niektóre z najbardziej udanych prób klonowania zagrożonych zwierząt w ostatnich latach zaangażowały dwa najbardziej lubiane gatunki domowe-Koty i psy. W Audubon Center for Research of Endangered Species w Nowym Orleanie, Martha Gomez i jej współpracownicy stworzyli wiele afrykańskich klonów dzikich kotów od połowy 2000 roku, używając kotów domowych jako matek zastępczych. Gomez mówi, że osiem klonów przetrwało do dorosłości do tej pory i wszystkie są zdrowe dzisiaj. Swój sukces przypisuje częściowo temu, że dzikie koty i koty domowe są ze sobą znacznie bliżej spokrewnione niż większość dzikich i domowych gatunków sparowanych w celu klonowania. Ona i jej zespół nauczyli się również zwiększać wskaźniki sukcesu za pomocą cesarskich sekcji—aby oszczędzić klonom stresu związanego z typowym porodem—i utrzymać nowo narodzone klony na intensywnej terapii przez kilka tygodni, tak jakby były wcześniakami. W 2008 Roku B. C. Lee z Seoul National University w Korei i jego koledzy osiągnęli podobny sukces używając psów domowych do stworzenia trzech zdrowych klonów męskich wilka szarego. Zespół Lee stworzył wcześniej dwa żeńskie klony wilka szarego. Wszystkie pięć zwierząt przetrwało do dorosłości, potwierdza Lee.
pracując z kotami o czarnych stopach, które pochodzą z Afryki i są wymienione jako „wrażliwe” na Czerwonej Liście, Gomez koncentruje się teraz na metodzie klonowania, która różni się od transferu jądrowego. Stara się przekształcić dorosłe komórki z kotów o czarnych stopach w komórki macierzyste, a następnie skłonić te komórki macierzyste do stania się plemnikami i jajami. Następnie, poprzez zapłodnienie in vitro lub podobne techniki, mogła zapłodnić koty domowe embrionami kotów o czarnej stopie. Alternatywnie, plemniki i jaja pochodzące z komórek macierzystych mogą być użyte do zapłodnienia samic zagrożonych gatunków.
stwierdzenie, że takie podejście jest technicznie trudne, byłoby niedopowiedzeniem, ale naukowcy poczynili imponujące postępy. W 2011 Jeanne Loring z Instytutu Badawczego Scripps w La Jolla w Kalifornii., a jej koledzy wytworzyli komórki macierzyste z zamrożonych komórek skóry dwóch zagrożonych gatunków-nosorożca białego Północnego i babonopodobnego naczelnika znanego jako wiertło. W 2012 roku Katsuhiko Hayashi z Kyoto University Graduate School Of Medicine i współpracownicy zamienili komórki skóry z dorosłych myszy w komórki macierzyste, które następnie przekształcili w zdolne do życia jaja. Po zapłodnieniu jaj nasieniem w probówkach naukowcy wszczepili zarodki surogatce myszy matki, która urodziła zdrowe i płodne potomstwo.
„nie mówię, że klonowanie uratuje zagrożone gatunki” – mówi Gomez. ” ale nadal jestem zwolennikiem klonowania jako innego narzędzia. To nie jest łatwe. Badania idą powoli.”
Loi Teramo też jest optymistyczne. Uważa, że naukowcy powinni nadal gromadzić i chronić informacje genetyczne zagrożonych zwierząt, tak jak to uczyniła Brazylia, tworząc biogabanki tkanek na lodzie, takie jak „zamrożone zoo” w San Diego Zoo ’ s Institute for Conservation Research. Jeśli badaczom uda się znacznie zwiększyć skuteczność klonowania dzikich i zagrożonych zwierząt—czy to poprzez transfer jądrowy, czy zapłodnienie in vitro—to potrzebne im DNA będzie na nie czekało. Jeśli tak się nie stanie, biobanki nadal będą przydatne do badań podstawowych. „Kiedy klonowanie zagrożonych zwierząt zostanie prawidłowo ustanowione, będzie to bardzo potężne narzędzie”, mówi Loi. „Jeśli coś da się zrobić, zrobi się to za 10 lat.”