世界首批由机器人“操刀”的克隆猪诞生

2017-07-14 10:42:25 来源: 中国青年报 作者: 胡春艳

机器人微操作将体细胞克隆成功率提高一倍

世界首批由机器人“操刀”的克隆猪诞生

机器人正在操刀细胞核的抽取和注入,这是克隆猪的关键步骤。

现在连机器人都学会了克隆技术。近日,全球首例由机器人操刀的克隆猪在天津诞生,这一批成活的13头小猪均由猪的体细胞克隆而成,个个都是精挑细选的优良品种。

这项研究来自南开大学机器人所赵新教授领导的跨学科研究团队。2002年,南开大学机器人所研发出“面向生物医学工程的微操作机器人系统”,获国家技术发明二等奖。时隔15年,在天津市畜牧兽医研究所的支持下,微操作机器人系统再次取得重大突破,在世界上第一次成功实现机器人操刀克隆猪。

“克隆”这个词风靡全球,不得不感谢21年前一只名叫多莉的绵羊。1996年她登上《自然》杂志,成为全世界最著名的小绵羊,让人类第一次见到活生生的哺乳动物被成功克隆出来。随后,全世界掀起了一股“克隆热”,不断有人宣告克隆牛、克隆猪,甚至克隆猫的成功,当然,也引发了各种各样的争议和思考。

如今,体细胞克隆已经成为改良生物品种的经典方法之一,克隆出的后代与体细胞供体的基因完全一样,也就是说,和父母一样品质优良。

克隆猪的过程非常复杂,成功率非常低。如果用最简单的话来描述这个艰巨的工程,大致可分三步:首先取得一个优良品种的体细胞和一个普通母猪的卵母细胞,第二步将卵母细胞核去除并注入优良品种的体细胞核,第三步注入代孕母猪体内直至产下幼仔。

机器人做的是第二步,也是最为复杂的关键步骤。赵新介绍,无论是人工操作,还是机器人微操作,体细胞克隆技术的关键难点在于,如何最大限度地减少对细胞的伤害。

在整个过程中,细胞核的抽取和注入,是难度最大的环节。“以往人工在显微镜下操作,需要反复调节目镜的位置,同时凭借个人多年的经验和技术,完成细胞核的‘取’和‘放’。”赵新说,人工操作毕竟存在稳定性不强、技术人员水平有差异等问题,“机器人在这些方面有很大优势。”

南开大学研究团队研制出具有可视化、微创化、定点化、定量化功能,集检测分析与操作于一体的原位显微分析与操作仪,这就是操刀克隆猪的机器人,在它的帮助下实现了机器人化的细胞核移植的自动化流程,包括卵母细胞拨动寻找极体、抽核和体细胞注入三部分。

机器人要给一个直径只有几微米的细胞做个大“手术”,只需1分钟,甚至比人类更加“温柔”。在如此微观的世界里,要保证精度是件很困难的事,“不仅仅是尺寸上的精度,更重要的是如何让力度恰到好处。”赵新形象地打了个比方,如果以往人类的力度是“一记重拳”,那么现在机器人可以做到“轻轻一推”。在计算机的控制下,机器人采用基于平衡压模型的操作,可以精确地保证抽取细胞核的过程更加可控,“力气不大也不小”。

通过分析“机器手”与细胞接触过程中的细胞受力情况,如今机器人已经能够实现最小力的细胞拨动与抽核,保证了细胞核移植操作过程中细胞受力最小。“手动操作拨动细胞,细胞最大变形30至40微米,经过计算后的机器人操作细胞最大变形降低至10到15微米。”

实验结果证明了机器人在这方面确实更加胜任,后续细胞培养表明,与人工操作相比,基于最小力的细胞抽核操作,细胞后续发育率显著更高。

数据是更加有力的证明。在体外实验中,赵新团队采用这套微操作平台对53个卵母细胞进行核移植,其中11个重构胚发育成为囊胚,这是克隆成功的标志,发育率达到21%,“此前体细胞克隆的囊胚率始终维持在10%左右。”

为了让这项技术“开花结果”,南开大学科研团队将该核移植方法应用于整个克隆猪流程,先后完成了数千例核移植操作来验证方法的有效性。2017年1月初,分四批完成了510例核移植操作,并将这510枚克隆胚胎移植到6头母猪体内。最终,两头母猪顺利受孕,并分别产下7只和6只健康的克隆猪。

这几天,这些由机器人自动化“操刀”成功克隆出的小猪, 拿到了“亲子鉴定”报告,结果显示,13头克隆小猪与“代孕”母亲无血缘关系,仅与供体细胞存在“亲子关系”。

作为最复杂的微操作之一,体细胞克隆技术向前发展必然要遇到如何实现产业化的问题,那么机器人在整个过程中显得尤为重要,“通过机器人化体细胞核移植操作,提高后续细胞培养成功率,进而提高整个体细胞克隆技术的成功率。”

目前,该项目获得国家重大科研仪器研制专项、“863”计划先进制造领域、天津市智能机器人重大科技专项支持。

“我们的研究第一次从细胞的发育角度指导微操作,通过细胞受力将微操作过程与细胞发育结果建立联系。”赵新说,这套方法的推广可进一步提高微操作技术对整体生物过程的贡献。可以预见,在辅助生育、动植物品种改良以及大众医疗、家畜生产等领域具有很好的应用前景。

克隆技术给了人类更广阔的想象空间和无限的可能性,在全世界范围内关于技术与伦理的争论也一直在进行。“关于克隆的研究永无止境。”赵新说,“人类对于世界,未知永远比已知更多。”

中国青年报·中青在线记者 胡春艳

责任编辑: 冷媚
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