Selama lebih dari 20 tahun, ahli biologi kelautan Mary Hagedorn menghadapi masalah yang tampaknya sulit diatasi. Dia mencari cara untuk membekukan dan mencairkan embrio ikan zebra.
Hewan percobaan yang penting, gen ikan zebra mendekati manusia cukup dekat sehingga mereka telah digunakan untuk menyelidiki penyakit seperti distrofi otot dan melanoma. Jika bahan reproduksi dapat segera dibekukan dan dicairkan, studi tersebut akan lebih mudah untuk dilakukan dan ditiru, karena para peneliti tidak perlu bekerja di sekitar jadwal pemijahan atau berjuang melawan penyimpangan genetik.
Masalahnya bermula pada cara ikan bereproduksi. Para ilmuwan telah berhasil membekukan — atau melakukan cryopreservasi, menggunakan istilah teknis — dan mencairkan sperma dan telur yang hidup dari banyak hewan selama beberapa dekade. Tetapi telur ikan berkembang di luar tubuh induknya, yang menghadirkan tantangan fisiologis yang tidak muncul ketika Anda bekerja dengan sel-sel dari sapi, atau bahkan manusia. Telur mengandung nutrisi yang dibutuhkan oleh embrio yang sedang berkembang dan juga memiliki pelindungnya sendiri, yang berarti telur itu besar dan sering terbungkus dalam membran yang relatif tidak tembus cahaya.
Sederhananya, telur ikan cenderung terlalu besar untuk membeku atau mencair dengan cepat dalam keadaan biasa. Hagedorn — yang bekerja sebagai ahli biologi penelitian di Pusat Kelangsungan Hidup Spesies Institut Kebun Binatang dan Konservasi Alam Smithsonian — membandingkannya dengan planet. Telur mamalia biasanya lebih seperti anggota terkecil dari tata surya kita — katakanlah, Merkurius. Telur ikan zebra lebih dekat dengan raksasa seperti Jupiter.
"Jika Anda tidak membekukan jaringan dengan benar, kristal es akan terbentuk di dalamnya dan mereka akan menembus sel dan menghancurkannya, " kata Hagedorn.
Dia menghabiskan 12 tahun untuk mencari solusi, akhirnya menyelesaikan pada solusi baru yang melibatkan microinjecting "cryoprotectant" (sebuah antibeku, pada dasarnya) ke dalam telur, suatu teknik yang memungkinkan agen untuk memotong membran pelindung. Dikalibrasi dengan benar untuk menghindari keracunan sel, pelindung tersebut dapat membantu memastikan bahwa telur akan merata secara merata (menjadi seperti gelas) ketika dicelupkan ke dalam bak nitrogen cair.
"Jika Anda tidak membekukan jaringan dengan benar, kristal es akan terbentuk di dalamnya dan mereka akan menembus sel dan menghancurkannya, " kata Mary Hagedorn dari masalah yang dihadapinya ketika mencoba membekukan embrio ikan zebra. (Encyclopedia of Life / Bioimages) Meskipun proses itu dapat secara efektif memasukkan embrio ikan ke dalam kondisi mati suri, memanaskannya kembali tetap menjadi masalah. Saat mereka menghangat, ada titik perantara antara kondisi ideal seperti kaca dan suhu ruang di mana kristal es dapat mulai terbentuk lagi. Dan kristal-kristal itu dapat merusak bahan seluler, sehingga tidak mampu dikembangkan lebih lanjut.
"Kami harus mencairkannya lebih cepat, " kata Hagedorn. “Menggunakan alat yang kami miliki pada tahun 2011. . . Saya menabrak dinding. "
Untuk sesaat dia menyerah.
Dan begitulah yang mungkin terjadi kalau bukan karena pertemuan kebetulan di konferensi cryopreservasi pada tahun 2013 di mana dia mendengar presentasi oleh John Bischof, seorang profesor teknik mesin di University of Minnesota.
Seperti yang dikatakan Bischof, dia mempresentasikan topik yang tidak berhubungan yang melibatkan nanopartikel besi oksida, yang telah digunakan labnya dalam penghangatan ulang jaringan manusia yang aman untuk transplantasi. Penelitiannya diklik dengan Hagedorn, mendorongnya untuk berpikir tentang potensinya untuk aplikasi non-mamalia.
"Dia berkata: Apa yang dapat Anda lakukan untuk membantu saya dengan embrio, " kenang Bischof.
Pertanyaan awal itu melahirkan kolaborasi interdisipliner yang kompleks dan berkelanjutan — yang di dalamnya Hagedorn dan Bischof menekankan pentingnya pekerjaan pihak lain.
Hasilnya, yang diterbitkan minggu ini di jurnal ACS Nano menunjukkan bahwa mungkin untuk memanaskan kembali embrio ikan beku dengan aman.
Inspirasi untuk pekerjaan mereka berasal dari upaya seorang ilmuwan yang sekarang sudah meninggal bernama Peter Mazur yang berpikir mungkin untuk mempersenjatai kembali embrio beku dengan laser. (Ya, laser.) Sementara ide itu berpotensi terdengar, itu menantang, kata Hagedorn kepada saya, untuk mendapatkan laser untuk menyampaikan panas ke bahan biologis. Namun, bersama dengan peneliti lain bernama Fritz Kleinhans, Mazur menemukan kemungkinan untuk memasukkan zat lain ke dalam larutan dengan embrio, yang akan mengambil panas dari laser dan memindahkannya ke masalah biologis.
Dalam kasus Mazur, itu berarti karbon hitam dalam bentuk tinta India, zat yang menyerap dan menyampaikan panas dengan baik — dan yang, menurut Kleinhans, Anda bisa beli di Amazon.com. Jika ditempatkan di sekitar embrio tikus beku, misalnya, pulsa laser tunggal hampir dapat secara instan membawa bahan seluler ke suhu kamar, melewati fase perantara pemanasan di mana kristal es mengancam terbentuk. Kleinhans mengatakan bahwa selama fase awal karya Hagedorn, dia berharap teknik ini bisa bekerja untuk embrio ikan zebra juga. Sayangnya, mereka masih terlalu besar, dan pada saat panas eksterior mencapai pusat, kristal es yang fatal sudah terbentuk.
Namun, ketika Hagedorn, Bischof, dan kolaborator mereka menulis di makalah baru mereka, ada cara lain. Menyebarkan tinta India di bagian luar embrio mungkin belum cukup, tetapi bagaimana jika mereka memasukkan beberapa bahan responsif lain di dalam sebelum membeku? Untuk melakukan itu, mereka memilih nanorod emas — struktur molekul sangat kecil, ukuran lebih kecil dari rambut manusia — yang mereka masukkan mikro bersama dengan agen antibeku ke dalam embrio sebelum pelestarian, dengan menggunakan metode yang Hagedorn kerjakan bertahun-tahun sebelumnya.
Seperti yang ditulis para peneliti dalam makalah mereka, "Nanopartikel ini dapat secara efektif menghasilkan panas ketika panjang gelombang laser cocok dengan energi resonansi plasma plasmon permukaan nanopartikel emas." Itu adalah cara yang rumit untuk mengatakan nanorod dapat menyerap dan memperkuat energi dari kilatan cahaya singkat.
Emas, seperti banyak zat lain, menunjukkan sifat yang berbeda pada skala nano daripada dalam jumlah besar. Pulsa laser milidetik yang dikalibrasi dengan baik dapat tiba-tiba memanaskan embrio melalui emas yang didistribusikan di seluruh embrio, memanaskannya kembali pada kecepatan mencengangkan 1, 4 x 10 7 ° C per menit, suhu yang hampir tak terduga yang dapat diatur dalam semburan cepat yang para peneliti menggunakan.
"Dalam pulsa satu milidetik laser, Anda beralih dari nitrogen cair ke suhu kamar, " kata Bischof. Secara signifikan, tidak seperti metode apa pun yang pernah dicoba Hagedorn sebelumnya, hasilnya cukup panas — dan cukup didistribusikan — untuk berhasil memanaskan kembali seluruh embrio ikan zebra sekaligus.
Dengan penghalang itu akhirnya terlewati, pertanyaan tetap ada. Kunci di antara mereka adalah apakah embrio-embrio itu masih dapat hidup. Seperti yang dilaporkan para peneliti di makalah mereka, sebagian besar adalah, meskipun tidak semua. Dari mereka yang dicairkan, 31 persen membuatnya hanya satu jam setelah pemanasan, 17 persen melewati batas tiga jam, dan hanya 10 persen masih berkembang setelah tanda 24 jam.
Walaupun itu mungkin terdengar kecil, itu jauh lebih besar dari tingkat kelangsungan hidup nol persen yang telah dihasilkan metode sebelumnya. Hagedorn berharap bahwa pekerjaan di masa depan akan "meningkatkan" angka-angka itu lebih lanjut. Dan dia tetap positif bahkan tentang angka 10 persen. "Seekor ikan dapat menghasilkan jutaan telur, dan jika saya berhasil membekukan 10 persen dari itu, itu jumlah yang sangat bagus, " katanya.
Tentu saja, bergulat dengan jutaan telur akan mengharuskan mereka lebih lanjut mengubah proses untuk efisiensi. Pada titik ini, sebagian besar pekerjaan itu berada di pundak Bischof dan yang lain di labnya, di mana pekerjaan sedang berlangsung untuk meningkatkan "throughput" proses, berpotensi mengubahnya menjadi usaha yang lebih industri. “Saya pikir akan ada sejumlah teknologi yang memungkinkan yang akan dikembangkan ke arah itu di tahun-tahun mendatang, ” katanya kepada saya.
Jika pekerjaan itu berhasil, Hagedorn berpikir itu bisa memiliki kegunaan lain yang jauh melampaui ikan zebra yang rendah hati.
"Banyak petani akuakultur ingin membekukan ikan [bahan reproduksi], karena mereka hanya menelurkan setahun sekali, " katanya. “Anda memiliki aspek boom dan bust dalam menjalankan pertanian mereka. Jika Anda bisa mengeluarkan embrio dari freezer dengan cara yang lebih terjadwal, itu akan membuat makanan lebih murah dan lebih dapat diandalkan. ”
Ini mungkin juga berdampak pada konservasi satwa liar. Hagedorn, yang bekerja terutama pada terumbu karang hari ini, berpikir itu mungkin membantu kita memperbaiki terumbu yang rusak. Dia juga menyarankan bahwa hal itu pada akhirnya dapat mengembalikan populasi katak yang habis, dan mungkin menyelamatkan spesies lain juga. Namun, terlepas dari ke mana pekerjaan itu membawa kita di masa depan, ia berdiri sebagai bukti potensi kolaborasi ilmiah saat ini.
“Awalnya itu tidak terasa nyata. Masuk akal secara biologis bahwa kita bisa melakukannya, tetapi sepertinya kita tidak akan pernah bisa menyatukan semuanya, ”katanya kepada saya. “Jika saya tidak duduk di sebelah John pada pertemuan itu, kami tidak akan pernah melakukan ini. Tanpa upaya bersama kami — rekayasa dan biologi — ini tidak akan terjadi. ”
