Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Forskere revolutionerer vigtigt bevaringsværktøj med brug af guld nanoteknologi og lasere (Opdatering)

Forskningen bruger ny guldnanoteknologi og lasere til at opvarme embryoet - anstødssten i tidligere undersøgelser. Resultaterne har dybtgående konsekvenser for menneskers sundhed, dyrelivsbeskyttelse, og akvakultur. Kredit:University of Minnesota/Smithsonian Conservation Biology Institute

I mere end 60 år, forskere har forsøgt med succes at kryobevare (eller fryse) embryoet af zebrafisk, en art, der er en vigtig medicinsk model for menneskers sundhed. I en ny undersøgelse, forskere ved University of Minnesota og Smithsonian Conservation Biology Institute (SCBI) leverer det første reproducerbare bevis nogensinde for vellykket kryokonservering af zebrafiskembryoner.

Undersøgelsen bruger ny guld-nanoteknologi og lasere til at opvarme embryoet - anstødssten i tidligere undersøgelser. Resultaterne har dybtgående konsekvenser for menneskers sundhed, dyrelivsbeskyttelse, og akvakultur.

Forskningen er offentliggjort i dag i ACS Nano , et førende videnskabeligt tidsskrift udgivet af American Chemical Society.

"Der er ingen tvivl om, at brugen af ​​denne teknologi, på denne måde, markerer et paradigmeskifte for kryokonservering og bevarelse af mange dyrearter, sagde Mary Hagedorn, en SCBI-forsker og medforfatter af papir, der har arbejdet på kryokonservering af zebrafiskembryoner siden 1992.

"For at få noget til at fungere ved så kolde temperaturer, man skal som regel være kreativ. Her tager vi en unik tilgang ved at kombinere biologi med en spændende ingeniørteknologi for at gøre det, der tidligere har været umuligt:​​at fryse og optø et fiskeembryo, så embryoet begynder at udvikle sig, i stedet for at falde fra hinanden, " tilføjede Hagedorn.

Ved at fryse sperm, æg og embryoner, naturbevarere kan beskytte udsatte arter og deres genetiske mangfoldighed, gør det muligt at styrke den genetiske pulje og dermed sundheden for vilde populationer år – eller endda århundreder – senere. Selvom videnskabsmænd med succes har kryokonserveret embryoner fra mange pattedyrarter og sæd fra mange fiskearter, frysning af fiskeembryoner viste sig at være uendeligt mere kompliceret.

Vellykket kryokonservering af et embryo kræver afkøling af embryoet til en kryogenisk stabil tilstand, derefter opvarme den med en hurtigere hastighed, end den blev afkølet, og brug af et frostvæske (eller kryobeskyttelsesmiddel) for at stoppe væksten af ​​iskrystaller, som er som stifter i en ballon, der springer membranen og får embryoet til at falde fra hinanden. Fisk embryoner, imidlertid, er meget store, gør det svært at optø dem hurtigt og undgå iskrystaludvikling. Ud over, fordi vanddyr skal overleve barske miljøer, deres embryonale membraner er for det meste uigennemtrængelige, blokerer kryobeskyttelsesmidlerne ude.

Indtast laser guld nanoteknologi, et hurtigt voksende teknologisk område, der udvikles til kryokonserveringsapplikationer af University of Minnesota Mechanical Engineering John Bischof, som var afgørende for undersøgelsens succes og har en bred vifte af biomedicinske applikationer.

"Lasere har den spændende evne til at fungere som en "lyskontakt", der kan tænde og slukke for biologisk aktivitet inden for guld-nanopartikelladede biomaterialer, sagde Bischof, seniorforfatter af undersøgelsen. "I dette tilfælde, ved omhyggelig konstruktion og anvendelse af guldnanopartikler i et kryogent opbevaret og biologisk inaktivt embryo, vi kan bruge en laserpuls til hurtigt at varme embryoet tilbage til omgivende temperaturer og skifte biologisk aktivitet, og derfor livet, tilbage på."

Guld nanorods er små cylindre af guld, der omdanner absorberet lys (fra en laser, for eksempel) til varme. Undersøgelsens forfattere injicerede både kryobeskyttelsesmidlet og nanogold-partiklerne i embryoerne. Guldpartiklerne overførte varme ensartet gennem hele embryoet, når de blev ramt med en laser, opvarmning af embryonet fra -196 grader C til 20 grader C på blot en tusindedel af et sekund. Den utroligt hurtige opvarmningshastighed, i kombination med kryobeskyttelsesmidlet, forhindrede dannelsen af ​​dødelige iskrystaller.

Embryoer, der gennemgik denne proces, udviklede sig i det mindste til 24-timers stadiet, hvor de udviklede et hjerte, gæller, halemuskulatur og flyttet - beviser deres levedygtighed efter optøning.

Undersøgelsens forfattere sigter dernæst mod at finjustere processen for at sikre, at de kan øge embryonernes overlevelsesrate. De vil også undersøge brugen af ​​automatisering for at styrke, hvor mange embryoner de kan tø op på én gang.

Fordi embryoner fra andre vanddyr - fisk, padder og koraller - ligner meget zebrafiskens, denne teknologi er direkte anvendelig til kryokonservering af mange arters embryoner. Teknologien kan også tilpasses til at kryokonservere krybdyr- og fugleembryoner og forbedre processen med kryokonservering af pattedyrembryoner, herunder kæmpepandaer og store katte. Ud over, teknologien kan hjælpe akvakulturbrug med at blive mere effektive og omkostningseffektive, lægger mindre pres på vilde bestande.

Menneskelige sundhedsforskere bruger zebrafisk - som har et genom, der ligner menneskers - som vigtige sygdomsmodeller til at studere melanom, hjertesygdomme og blodsygdomme, blandt andre sundhedsspørgsmål. Kryokonserverede zebrafiskembryoner vil forhindre forskerne i at miste hele forskningslinjer og vil give dem fleksibiliteten til at bringe linjerne tilbage efter behov.