Wir träumen davon, für immer zu leben. Wir hoffen, dass wir Ihr Lieblingshaustier klonen können, wie es bei Dolly, dem Schaf, passiert ist. Wir wollen durch den "Jurassic Park" spazieren, Dinosaurier und Mammuts betrachten, den ausgestorbenen Moa, Dodo und andere Kreaturen sehen.
Beth Shapiro, Professorin am Institut für Ökologie und Evolutionsbiologie der Universität von Santa Cruz in Kalifornien, erzählt uns die faszinierende Geschichte der modernen Wissenschaft der Artenerholung.
Sobald ein Organismus stirbt, beginnt seine DNA unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung und Bakterien sofort zu kollabieren. Sie können also nicht einfach eine Zelle nehmen und ein ausgestorbenes Tier klonen. Die Forscher müssen sich einer schwierigen Aufgabe stellen - sie versuchen, ein Puzzle zusammenzustellen, in dem einige der DNA-Teile verloren gehen.
Lassen Sie uns herausfinden, ob wir die ausgestorbenen Arten wiederbeleben müssen (Beth Shapiro ist sicher, dass es sich lohnt), welche Schwierigkeiten uns auf dem Weg erwarten und wozu sie führen können.
Auszug
Klone erstellen
Wenn Sie in der Tundra arbeiten, kümmert es niemanden, dass Sie fälschlicherweise laut singen und entlang eines gewundenen Flusses spazieren. Niemand lacht über die fünf Kleidungsschichten, die Sie tragen, und macht sich nicht über die Vielfalt der Netze lustig, die Sie bei Ihrem letzten zum Scheitern verurteilten Versuch, Mücken aus Ihrem Körper fernzuhalten, verwickelt haben. Niemand führt mit einem Ohr, wenn Ihr erfahrener Mi-8-Hubschrauber unerwartet mitten in der sibirischen Tundra landet, um ein französischsprachiges Paar mit einem fünfjährigen Kind und einem großen roten Kühlschrank aufzunehmen.
All dies habe ich im Sommer 2008 gelernt, während meiner liebevollsten und am wenigsten erfolgreichen Saison für die Knochenjagd. In diesem Sommer verbrachten wir einige Wochen in einem kleinen Lager inmitten von Seen in der Tieflandtundra der Taimyr-Halbinsel. Wir haben Mammuts gejagt.
Die Expedition nach Taimyr wurde von Bernard Buig geleitet, einem erfahrenen und in guter Weise exzentrischen Entdecker der Arktis, und es gab keinen Grund zu der Annahme, dass wir scheitern würden. Bernard leitete jahrzehntelang die Firma Cerpolex (von der französischen CERcles POLaires EXpédition) und leitete Landexpeditionen in Sibirien und am Nordpol. Diese Expeditionen begannen an seiner gut ausgestatteten Basis in Khatanga, einer kleinen russischen Stadt am Khatanga im Krasnojarsker Territorium. In den frühen 2000er Jahren wechselte Bernard zu Expeditionen, die wissenschaftlicher Natur waren, und gründete unter Zerpolex die Organisation Mammuthus (lateinisches „Mammut“), deren erklärtes Ziel es war, die Arktis und ihre vielen Schätze zu erforschen und zu verherrlichen. Wie der Name dieser Organisation andeutet, lag der Schwerpunkt ihrer besonderen Aufmerksamkeit jedoch auf der Suche nach den mumifizierten Überresten von Mammuts und der Förderung ihrer Forschung. Die Bildung von Mammuthus war entweder ein unternehmungslustiger Schritt oder einfach sehr zeitgemäß, da ab Anfang dieses Jahrhunderts die Mumien von Mammuts und anderen alten Riesen der Eiszeit überraschend oft im Permafrost Sibiriens zu finden waren.
Nachdem er sich mit Bernard getroffen hatte, war es unmöglich, sich seiner Führungsqualitäten und des Erfolgs der Expedition nicht sicher zu sein. Bis 2008 hatte Bernard Dutzende Jahre Erfahrung in der sibirischen Tundra. Er hatte unerschöpfliche Energie und Begeisterung, war mit den Schwierigkeiten der Logistik bei der Arbeit in Sibirien gut vertraut (und wusste, wie man diese Schwierigkeiten umgeht) und besaß auch eine große Sammlung warmer Jacken. Am wichtigsten ist, dass er lange Zeit mit der lokalen Bevölkerung zusammengearbeitet hat, und dies erklärt irgendwie, warum er so oft als erster Zugang zu den kürzlich entdeckten Mammutmumien hatte. Alles deutete darauf hin, dass die Expedition erfolgreich sein sollte.
Unser Abenteuer begann im sibirischen Haus von Bernard in Khatanga. Khatanga ist ein ungewöhnlicher Ort. Dies ist einer der nördlichsten Punkte der Welt, an denen Menschen leben. Obwohl die Stadt weniger als 3,5.000 Einwohner hat, gibt es einen Flughafen, ein Hotel und ein Museum für Natur und Ethnographie, voller Exponate über die Menschen in dieser Gegend und ihre Geschichte. In Khatanga gibt es auch mehrere Restaurants, in denen mit Dill gewürztes lokales Tierfleisch serviert wird, und mehrere kleine Läden, in denen Karotten mit Erfrierungen für 8 USD, halbautomatische Maschinengewehre und eine ausgefallene Auswahl an aromatisiertem Kaugummi verkauft werden. Straßen und Flussufer sind mit unbekannten Mechanismen übersät, von denen einige möglicherweise noch funktionieren. Die Menschen leben überall - in kleinen Holzhütten, in großen Wohnhäusern und sogar in Transportcontainern -, die auf Containerschiffen für den Warentransport über den Ozean verwendet werden. Sogar Bernards Haus bestand teilweise aus Transportcontainern, die miteinander verbunden und vermutlich gut von der Umwelt isoliert waren. Am Ende liegt die Stadt auf 71 Grad nördlicher Breite, und die Winter in Khatanga sind dunkel und kalt, mit einer durchschnittlichen monatlichen Mindesttemperatur von etwa –35 ° C und einer völligen Abwesenheit von Sonnenlicht für viele Tage im Dezember und Januar. Zwar waren wir von Juli bis August dort, und die Lufttemperatur schwankte in einem akzeptablen Bereich von 5 bis 15 ° C, und die Sonne schien rund um die Uhr. Natürlich kreisten mehrere Mücken und verwöhnten den Rest der wunderbaren Atmosphäre. Genauer gesagt mehrere hundert Mücken.
Pro Kubikzentimeter Luft.
Bernard, seine Frau Sylvia und ihr zwanzigjähriger Neffe Pete, mehrere Russen, die für Bernard arbeiteten, eine französische Regisseurin und ihr Freund sowie eine ganze Sammlung von Wissenschaftlern mit unterschiedlichsten Interessen in Bezug auf Tiere der Eiszeit nahmen an unserer Expedition teil. Der älteste Wissenschaftler in unserer Gruppe war Dan Fisher, ein Mammutspezialist und Professor an der University of Michigan. Dan ist ein Weltexperte auf seinem Gebiet: Durch die Untersuchung der Wachstumsmuster von Mammutstoßzähnen kann er Geschlecht, Fortpflanzungsgeschichte, Lebensstil und sogar die Todesursache von Tieren bestimmen. Dan misst auch die Menge an stabilen Isotopen chemischer Elemente, Kohlenstoff und Stickstoff, die sich beim Wachstum im Mammutstoßzahn ansammeln. Diese Isotope bilden eine fast kontinuierliche Aufzeichnung von Veränderungen in der Ernährung des Mammuts und seiner Umgebung. Adam Rountry und David Fox, die zuvor bei Dan ausgebildet wurden, haben ebenfalls mit uns zusammengearbeitet. Schließlich waren zwei DNA-Forscher unter uns: ich und Ian Barnes, der damals am Royal Holloway College der University of London lehrte, aber ich traf ihn zu der Zeit, als ich an meiner Dissertation an der Oxford University arbeitete.
Dan, David und Adam träumten davon, Stoßzähne zu finden, während Ian und ich auf Mammutknochen hofften. Stoßzähne eignen sich besser für die Isotopenanalyse, enthalten jedoch nur sehr wenig DNA. Ian und ich interessierten uns auch für alle Tiere, die während der Eiszeit in Taimyr lebten, daher konzentrierten wir uns nicht ausschließlich auf das Sammeln von Mammutknochen.
Aus Gründen, die mir ein Rätsel blieben, und trotz der Versprechungen, die Bernard vor unserer Ankunft in Khatanga gemacht wurden, mussten wir eine ganze Woche auf den Hubschrauber warten. Wir ließen uns vorübergehend in Bernard nieder und begannen, Khatanga zu studieren, um die Zeit totzuschlagen. Wir haben viele warme Jacken und Moskitonetze anprobiert. Wir gingen durch die Straßen, neckten einheimische Hunde und versuchten, den Zweck verschiedener Mechanismen zu entschlüsseln. Wir stellten Fallen für Insekten auf und bestimmten die Arten derjenigen, die dort ankamen. Wir haben für unser Filmteam und für zukünftige Forschungsprojekte Löcher in mehrere Knochen aus der Bernard-Sammlung gebohrt. Während wir warteten, organisierte Bernard nacheinander Treffen mit seiner Gruppe russischer Wissenschaftler und Logistikspezialisten. Diese Treffen waren lebendig und aufregend: Riesenkarten passten nicht auf Tische, Gespräche wurden zu einem erhöhten Ton, Versöhnungen mit alten wissenschaftlichen Dokumenten, die die geografischen Grenzen vergangener Vereisungen beschreiben, wurden durchgeführt, Wodka in Gläser gegossen und ein Plan für einen zukünftigen Ausflug erstellt.
Schließlich kam der Hubschrauber und es war Zeit, ins Feld zu fliegen. Wir sammelten Lebensmittel, Treibstoff und andere Dinge und fuhren von Bernards Haus direkt zum Flughafen. Wir machten uns auf den Weg durch die Sicherheitskontrolle zur Landebahn und trafen uns von Angesicht zu Angesicht mit unserem nächsten Fahrzeug: dem geliebten Mi-8-Hubschrauber. Etwa ein Viertel der Fläche war bereits von zwei riesigen Gasflaschen belegt. Auf dem Weg an den Zylindern vorbei warfen wir unsere Campingausrüstung, Kameras und Beleuchtungsausrüstung zum Filmen, zwei große Schlauchboote und zwei Außenbordmotoren mit einer Leistung von jeweils 250 PS, Reisvorräte und unbekannte gefriergetrocknete Lebensmittel ein, die ausreichten, um sechs Personen sechs Wochen lang zu ernähren , ein riesiger Kanister mit Benzin zum Kochen und Wodka in einer Menge, die ausreicht, um mindestens einen Tag lang glücklich zu sein. Etwa ein Drittel der Fenster fehlte im Mi-8-Hubschrauber, was vermutlich das Rauchen an Bord erleichtert.
Nachdem wir alle unsere Sachen geladen hatten, stiegen wir hinein und setzten uns auf Bänke unter den Fenstern sowie auf Sachen und Gasflaschen. Der letzte, der an Bord ging, war Pascha, der Hund unseres Kochs, ein einjähriger Siberian Husky. Pascha äußerte seine Besorgnis über die Teilnahme an unserer Expedition und versuchte, sich mit der Abdeckung der Landebahn unter der Rampe zu verbinden. Ich teilte Pashins Zweifel, was besser ist: von der Landebahn verschluckt zu werden oder auf der Mi-8 in den Himmel zu fliegen. Als klar wurde, dass der Streifen Pascha nicht aufnehmen wollte, floh er. Der Koch und einer der Piloten stiegen aus, rauchten mehrere Zigaretten, fingen Pascha, hoben ihn mitten auf der Rampe auf, schafften es irgendwie, ihn zu vermissen, fingen ihn wieder, beruhigten ihn genug, um ihn bis zum Ende der Rampe zu ziehen und ihn in die Tür zu bringen. und schließlich ließen wir uns im Cockpit nieder. Zu den freudigen Ausrufen und dem verzweifelten Heulen Paschas nahmen wir den Boden ab und flogen in Richtung Tundra.
Somatischer Kerntransfer
Wenn bereits so viele Knochen in Sammlungen auf der ganzen Welt gesammelt wurden, warum müssen wir dann auf dem Feld raus, um weitere zu finden? Warum mit kaputten Hubschraubern, Goldminen, vierundzwanzig Stunden Tageslicht und Mückenwolken umgehen? Die Antwort ist einfach: Die besten Knochen sind diejenigen, die direkt aus der eisigen Tundra zu uns kamen. Wir wollen Knochen finden, die noch nie aufgetaut sind. Sie enthalten die am besten erhaltenen Zellen mit der am besten erhaltenen DNA.
Wir sind nicht die einzige Gruppe von Wissenschaftlern, die ihre Sommer in der Arktis verbringen, um nach Überresten von Tieren der Eiszeit zu suchen oder auf Goldfeldern herumzuhängen, aber ich freue mich zu glauben, dass wir den vernünftigsten Geschäftsansatz haben. Zum Beispiel wissen wir, dass wir nicht nach Zellen suchen, die geklont werden können. Alles, was Wissenschaftler über das Klonen von Tieren mit somatischen Zellen wissen (dh sie sind weder Sperma noch Eier), legt nahe, dass das Klonen nur funktioniert, wenn die Zelle ein intaktes Genom enthält. In den Überresten ausgestorbener Tiere im Eis der Tundra wurde keine einzige solche Zelle gefunden.
Die DNA-Zerstörung beginnt unmittelbar nach dem Tod des Körpers. Pflanzen- und Tierzellen enthalten Enzyme, deren Aufgabe es ist, die Bindungen innerhalb des DNA-Moleküls aufzubrechen. Diese Enzyme, Nukleasen genannt, kommen in Zellen, Tränenflüssigkeit, Speichel, Schweiß und sogar auf unseren Fingerspitzen vor. Während wir leben, sind Nukleasen für uns von entscheidender Bedeutung. Sie zerstören pathogene Mikroben, die in unseren Körper eindringen, bevor sie uns Schaden zufügen. Sie reparieren beschädigte DNA und ermöglichen unseren Zellen, das zu reparieren, was kaputt war. Und nach dem Tod unserer Zellen zerstören Nukleasen ihre DNA, sodass unser Körper sie leichter loswerden kann. Mit anderen Worten, Nukleasen haben sich so entwickelt, dass sie nach dem Absterben der Zelle aktiv bleiben, und dies sind schlechte Nachrichten für diejenigen, die ein Mammut klonen möchten.
Im Labor erlauben wir Nukleasen nicht, die zu isolierende DNA zu zerstören, indem wir eine frische Probe in eine Lösung chemischer Inhibitoren tauchen oder sie einem schnellen Einfrieren aussetzen. Die Arktis ist ein kalter Ort, aber nicht kalt genug, um etwas (besonders so groß wie ein Mammut) schnell genug einzufrieren, um die DNA vor dem Verfall zu schützen. Darüber hinaus werden Nukleasen von allen lebenden Organismen produziert, einschließlich Bakterien und Pilzen, die die zerfallenden Körper toter Tiere besiedeln. Daher ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Genom einer Zelle nach dem Tod noch lange Zeit vollständig intakt bleibt. Ohne ein intaktes Genom funktioniert das Klonen von Mammuts nicht. Genauer gesagt wird es nicht möglich sein, ein Mammut durch somatischen Kerntransfer zu klonen.
Der somatische Kerntransfer ist ein langweiliger, aber durchaus passender Name für den Prozess, dank dessen wir insbesondere den berühmtesten Klon haben - das Dolly-Schaf (Abb. 8). Dolly wurde 1996 von Wissenschaftlern des Roslyn Institute in Schottland geklont. Wissenschaftler entfernten den Kern, den Teil der Zelle, der das Genom enthält, aus einer Brustzelle, die einem erwachsenen Schaf entnommen wurde, und legten diesen Kern in das vorbereitete Ei eines anderen erwachsenen Schafs. Dann entwickelte sich diese Eizelle in der Gebärmutter einer anderen erwachsenen Frau zu einem völlig gesunden Individuum dieser Art. Es ist wichtig anzumerken, dass die durch Kerntransfer geklonten Schafe genetisch identisch mit dem Tier waren, das der Spender der Brustdrüsenzelle wurde, und nichts mit seiner Ersatzmutter oder den Schafen zu tun hatten, denen das Ei entnommen wurde.
Um die Feinheiten dieses Prozesses zu verstehen, müssen Sie etwas über Zellen lernen. Unser Körper (und der Körper anderer lebender Organismen) besteht aus drei Grundtypen von Zellen: Stammzellen, Genitalzellen und somatische Zellen. Somatisch - vor allem Hautzellen, Muskelzellen, Herzzellen usw. Somatische Zellen haben einen diploiden Chromosomensatz, was bedeutet, dass sie zwei Kopien jedes Chromosoms enthalten - eine von der Mutter und eine vom Vater. Somatische Zellen haben auch eine Spezialisierung - dies können Gehirnzellen, Blutzellen oder Brustzellen sein, ähnlich denen, die zur Herstellung von Dolly verwendet werden. Eine weitere Kategorie von Zellen sind primäre Keimzellen (Gonozyten), aus denen Gameten gebildet werden - Spermien und Eizellen. Gameten haben einen haploiden Chromosomensatz, dh sie enthalten nur eine Kopie jedes Chromosoms. Bei normaler sexueller Fortpflanzung verschmelzen zum Zeitpunkt der Befruchtung zwei haploide Gameten zu einer diploiden Zygote, aus der sich dann der Embryo entwickelt.
Beim Kerntransfer entfällt das Stadium der Befruchtung und Fusion von Gameten. Stattdessen tritt ein Prozess namens Enukleation auf, bei dem das haploide Eigenom entfernt wird. Dann wird der diploide Kern der somatischen Zelle (im Fall von Dolly Brustzellen) an seine Stelle gesetzt.
Bei normaler sexueller Reproduktion von Säugetieren enthält die während der Befruchtung gebildete Zygote Zellen, die keine Spezialisierung aufweisen. Solche nicht spezialisierten Zellen gehören zur dritten Kategorie und werden Stammzellen genannt. Die Stammzellen, aus denen die Zygote in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung besteht, werden als totipotent bezeichnet, da sie sich in Zellen jeglicher Art verwandeln und daher einen ganzen lebenden Organismus hervorbringen können. Mit der Weiterentwicklung des Embryos vermehren sich die Zellen und beginnen sich zu differenzieren, dh spezialisiertere Funktionen im Körper zu erfüllen. In einem der frühesten Stadien der Embryonalentwicklung verlieren totipotente Stammzellen ihre Fähigkeit, sich in Zellen jeglicher Art zu verwandeln, haben jedoch noch keine eindeutige Spezialisierung. Jetzt werden diese Zellen pluripotent genannt. Beispielsweise können pluripotente Stammzellen von Säugetieren in Zellen jeglichen Typs mit Ausnahme der Plazenta transformiert werden.
Pluripotente Stammzellen sind für die Wissenschaft von besonderem Interesse, da sie zur Behandlung von Menschen verwendet werden können. Wenn sich Stammzellen teilen, produzieren sie entweder andere Stammzellen oder spezialisierte somatische. Dies bedeutet, dass sie möglicherweise erkrankte oder beschädigte Zellen ersetzen können. Stammzellen kommen nicht nur im sich entwickelnden Embryo vor, sondern auch in allen Geweben des erwachsenen Körpers. Erwachsene Stammzellen sind in der Regel spezialisierter als embryonale, aber dennoch sind sie entscheidend für die Reparatur und Erneuerung beschädigter Gewebe. Für medizinische Zwecke werden häufig adulte Stammzellen entnommen. Beispielsweise können sich hämatopoetische Stammzellen in verschiedene Arten von Blutzellen verwandeln und werden zur Behandlung von Bluterkrankungen, einschließlich Leukämie, verwendet.
Kommen wir zurück zum Klonen von Nukleartransfers. Somatische Zellen sind im Gegensatz zu Stammzellen hochspezialisiert. Sie können sich nicht in verschiedene Zelltypen verwandeln, da sie den Endpunkt des Differenzierungsprozesses darstellen. Somatische Zellen haben eine spezifische Funktion und ihre zellulären Mechanismen sind an die Qualität dieser Arbeit angepasst. In einer somatischen Zelle, die aus der Brustdrüse eines Schafs entnommen wurde, werden nur die Proteine exprimiert, die es exprimieren muss, um die Funktion einer Brustzelle zu erfüllen, und daher sind nur Gene enthalten, die diese Proteine codieren.
Damit sich eine somatische Zelle in einen ganzen lebenden Organismus verwandeln kann, muss sie alles über ihre Spezialisierung „vergessen“ und differenziert werden. Es sollte sich wieder in eine embryonale Stammzelle verwandeln.
Obwohl Dolly wohl das bekannteste Tier ist, das aus dem somatischen Kerntransfer hervorgegangen ist, war sie nicht der erste Klon, der auf diese Weise erstellt wurde. In den 50er und 60er Jahren des 20. Jahrhunderts bewies John Gerdon von der Universität Oxford, dass sich Fröscheier in Fröschen entwickeln, selbst nachdem die Kerne dieser Zellen entfernt und durch somatische Zellkerne ersetzt wurden. Obwohl zu dieser Zeit der Mechanismus dieses Phänomens nicht gut verstanden war, war die Schlüsselbeobachtung von Gerdon, dass das Ei irgendwie den Prozess der Dedifferenzierung der somatischen Zelle startet - und diese „vergisst“, welcher Zelltyp es vorher war. 2012 erhielt Gerdon zusammen mit Xinya Yamanaka von der Universität Kyoto den Nobelpreis für diese Entdeckung. , ( ) in vitro, , , , , . (iPSC).
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