Durante más de 20 años, la bióloga marina Mary Hagedorn enfrentó un problema aparentemente insoluble. Estaba buscando una manera de congelar y descongelar los embriones de pez cebra.
Un importante animal experimental, los genes del pez cebra se aproximan lo suficiente a los humanos que han sido utilizados para investigar enfermedades como la distrofia muscular y el melanoma. Si el material reproductivo pudiera congelarse y descongelarse fácilmente, esos estudios serían más fáciles de realizar y replicar, ya que los investigadores no tendrían que trabajar en horarios de desove o luchar contra la deriva genética.
El problema se reduce a la forma en que los peces se reproducen. Los científicos han estado congelando con éxito, o criopreservando, para usar el término técnico, y descongelando espermatozoides y óvulos viables de muchos animales durante décadas. Pero los huevos de pescado se desarrollan fuera del cuerpo de los padres, lo que presenta desafíos fisiológicos que no surgen cuando se trabaja con células de ganado, o incluso humanos. El huevo contiene los nutrientes que necesitará el embrión en desarrollo y también tiene su propia armadura, lo que significa que esos huevos son grandes y a menudo están encerrados en una membrana relativamente impermeable.
En pocas palabras, los huevos de pescado tienden a ser demasiado grandes para congelarse o descongelarse rápidamente en circunstancias normales. Hagedorn, que trabaja como biólogo investigador en el Centro de Supervivencia de Especies del Instituto Nacional de Zoología y Conservación del Smithsonian, los compara con los planetas. Los huevos de mamíferos son más parecidos a los miembros más pequeños de nuestro sistema solar, por ejemplo, Mercurio. Un huevo de pez cebra está más cerca de un gigante como Júpiter.
"Si no congela el tejido adecuadamente, se formarán cristales de hielo en él y perforarán las células y las destruirán", dice Hagedorn.
Pasó 12 años en busca de una solución alternativa y finalmente se decidió por una solución novedosa que implicaba la microinyección de un "crioprotector" (un anticongelante, básicamente) en los huevos, una técnica que permitía a ese agente evitar la membrana protectora. Calibrados adecuadamente para evitar el envenenamiento de las células, esos protectores podrían ayudar a garantizar que un huevo se vitrifique uniformemente (convirtiéndose en un vidrio) cuando se sumerge en un baño de nitrógeno líquido.
"Si no congela el tejido adecuadamente, se formarán cristales de hielo en él y perforarán las células y las destruirán", dice Mary Hagedorn sobre el problema que enfrentó al tratar de congelar embriones de pez cebra. (Enciclopedia de la vida / Bioimágenes) Si bien ese proceso podría poner efectivamente a los embriones de peces en un estado de animación suspendida, calentarlos nuevamente fue un problema. A medida que se calientan, hay un punto intermedio entre el estado de vidrio ideal y la temperatura ambiente donde los cristales de hielo pueden comenzar a formarse nuevamente. Y esos cristales pueden dañar el material celular, dejándolo incapaz de un mayor desarrollo.
"Necesitábamos descongelarlos mucho más rápido", dijo Hagedorn. “Usando las herramientas que teníamos en 2011. . . Golpeé una pared ".
Por un momento ella se rindió.
Y así es como podrían haber quedado las cosas si no fuera por un encuentro casual en una conferencia de criopreservación en algún momento de 2013, donde escuchó una presentación de John Bischof, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Minnesota.
Como Bischof lo cuenta, había estado presentando un tema no relacionado con las nanopartículas de óxido de hierro, que su laboratorio ha utilizado en el recalentamiento seguro de tejido humano para trasplante. Su investigación hizo clic con Hagedorn, lo que la llevó a pensar en su potencial para aplicaciones no mamíferas.
"Ella dijo: ¿Qué puedes hacer para ayudarme con los embriones?", Recuerda Bischof.
Esa pregunta inicial dio origen a una colaboración interdisciplinaria compleja y continua, en la que tanto Hagedorn como Bischof insisten en la importancia del trabajo del otro.
Sus resultados, publicados esta semana en la revista ACS Nano, indican que, después de todo, podría ser posible recalentar de forma segura los embriones de pescado congelado.
La inspiración para su trabajo provino de los esfuerzos de un científico ahora fallecido llamado Peter Mazur, quien pensó que podría ser posible recalentar embriones congelados con láser. (Sí, láseres.) Si bien la idea era potencialmente sólida, Hagedorn me dijo que es un desafío hacer que los láseres transmitan calor al material biológico. Sin embargo, junto con otro investigador llamado Fritz Kleinhans, Mazur descubrió que podría ser posible introducir otra sustancia en la solución con el embrión, una que captara el calor del láser y lo transfiriera a la materia biológica.
En el caso de Mazur, eso significaba negro de carbón en forma de tinta china, una sustancia que absorbe y transporta bien el calor, y que, según Kleinhans, simplemente puede comprar en Amazon.com. Si se colocó alrededor de un embrión de ratón congelado, por ejemplo, un solo pulso láser podría llevar casi instantáneamente el material celular a temperatura ambiente, evitando la fase intermedia de calentamiento donde los cristales de hielo amenazan con formarse. Kleinhans dice que durante la fase anterior del trabajo de Hagedorn había esperado que la técnica también funcionara para los embriones de pez cebra. Por desgracia, todavía eran demasiado grandes, y cuando el calor exterior llegó al centro, ya se estaban formando cristales de hielo fatales.
Sin embargo, mientras Hagedorn, Bischof y sus colaboradores escriben en su nuevo artículo, había otra forma. Es posible que extender la tinta de la India en el exterior del embrión no haya sido suficiente, pero ¿y si insertaron algún otro material sensible antes de congelarlo? Para hacerlo, se decidieron por nanorods de oro (estructuras moleculares minúsculas, órdenes de magnitud más pequeños que un cabello humano) que microinyectaron junto con agentes anticongelantes en el embrión antes de la conservación, empleando los métodos que Hagedorn había desarrollado años antes.
Como escriben los investigadores en su artículo, "Estas nanopartículas pueden generar calor de manera efectiva cuando la longitud de onda del láser coincide con la energía de resonancia del plasmón de la superficie de las nanopartículas de oro". Esa es una forma complicada de decir que los nanorods podrían absorber y amplificar la energía de un breve destello de luz.
El oro, como muchas otras sustancias, exhibe propiedades diferentes en la nanoescala que a granel. Un pulso láser de milisegundos bien calibrado puede calentar repentinamente un embrión a través del oro distribuido a través de él, recalentando a una velocidad asombrosa de 1.4 x 10 7 ° C por minuto, una temperatura casi insondable que es manejable en las ráfagas rápidas que los investigadores emplean
"En ese pulso de un milisegundo del láser, estás pasando de nitrógeno líquido a temperatura ambiente", dice Bischof. Significativamente, a diferencia de cualquier método que Hagedorn haya intentado antes, los resultados fueron lo suficientemente calurosos y ampliamente distribuidos como para recalentar con éxito un embrión de pez cebra completo de una vez.
Con esa barrera finalmente cruzada, quedaban preguntas. La clave entre ellos era si esos embriones seguirían siendo viables. Como informaron los investigadores en su artículo, una parte significativa fue, aunque no toda. De los que descongelaron, el 31 por ciento lo hizo solo una hora después del calentamiento, el 17 por ciento cruzó la marca de tres horas y solo el 10 por ciento todavía se estaba desarrollando después de la marca de 24 horas.
Si bien eso puede sonar pequeño, es mucho mayor que la tasa de supervivencia del cero por ciento que los métodos anteriores habían arrojado. Hagedorn espera que el trabajo futuro "mejore" aún más esos números. Y ella sigue siendo positiva incluso sobre la cifra del 10 por ciento. "Un pez puede producir millones de huevos, y si tuviera que congelar con éxito el 10 por ciento de esos, ese es un número realmente bueno", dice ella.
Por supuesto, lidiar con millones de huevos requeriría que transformaran aún más el proceso para la eficiencia. En este punto, gran parte de ese trabajo recae sobre los hombros de Bischof y otros en su laboratorio, donde ya se está trabajando para mejorar el "rendimiento" del proceso, lo que podría convertirlo en un esfuerzo más industrial. "Creo que habrá una serie de tecnologías habilitadoras que se desarrollarán para eso en los próximos años", me dijo.
Si ese trabajo tiene éxito, Hagedorn cree que podría tener otros usos que van mucho más allá del humilde pez cebra.
"Muchos acuicultores quieren congelar el pescado [material reproductivo], porque solo desovan una vez al año", dijo. “Tienes este aspecto de auge y caída para administrar sus granjas. Si pudiera sacar los embriones del congelador de una manera más programada, los alimentos serían más baratos y confiables ".
También puede tener un impacto en la conservación de la vida silvestre. Hagedorn, que trabaja principalmente en coral hoy, cree que podría ayudarnos a reparar los arrecifes dañados. Ella también sugiere que en última instancia podría restaurar las poblaciones de ranas agotadas, y tal vez también salvar a otras especies. Sin embargo, independientemente de adónde nos lleve el trabajo en el futuro, es un testimonio del potencial de la colaboración científica actual.
“Al principio, sinceramente, no se sentía real. Tiene sentido biológico que podamos hacerlo, pero parecía que nunca podríamos juntar todas las piezas ”, me dijo. “Si no me hubiera sentado junto a John en esa reunión, nunca lo habríamos hecho. Sin nuestros esfuerzos conjuntos, la ingeniería y la biología, esto no hubiera sucedido ”.
