世界首例機器人"操刀"的複製豬在天津誕生
圖為基於最小力的機器人化體細胞核移植與複製豬仔。(南開大學供圖) 鍾欣 攝
中新網天津7月3日電(記者 張道正 通訊員 吳軍輝)近日,經過兩個多月的漫長等待,一份特殊的“親子鑑定”報告出爐,13頭克隆小豬與“代孕”母親無血緣關係,僅與供體細胞存在“親子關係”。這從醫學上證明了,世界首例機器人操作的體細胞複製豬在中國天津誕生。
經過110天孕育,4月26日、29日,兩頭普通的“代孕”母豬先後順利產下了13頭健康的純種小長白豬。較之以往“手工操作”克隆技術,此次機器人的自動化“操刀”,用力更小,對細胞傷害更少,更高精度的操作將體細胞克隆技術成功的關鍵指標“囊胚率”從10%提高至20%。這一數據令全球同行驚訝不已。
“機器人操作體細胞複製豬”研究來自南開大學機器人所趙新教授領導的跨學科研究團隊,天津市畜牧獸醫研究所是主要合作單位。南開大學機器人所研發多年的“面向生物醫學工程的微操作機器人系統”,曾獲2002年度國家技術發明二等獎。此次複製豬的誕生,也是時隔15年後,該技術獲得的又一重大突破。
體細胞克隆是改良生物品種的經典方法之一。它將普通品種卵母細胞的細胞核去除後,注入優良品種的體細胞。這種方法的優勢在於獲得的後代一定是優良品種。然而,成功率極低,成為體細胞克隆技術發展的瓶頸。
“作為最複雜的微操作之一,體細胞克隆技術急需實現機器人化。通過機器人化體細胞核移植操作,提高後續細胞培養成功率,進而提高整個體細胞克隆技術的成功率,是我們面臨的真正挑戰。”趙新説。
針對上述問題,南開大學研究團隊面向生命科學發展需求展開科研攻關,研製出具有可視化、微創化、定點化、定量化功能,集檢測分析與操作於一體的原位顯微分析與操作儀,利用該儀器實現了機器人化的細胞核移植流程。
據介紹,基於機器人微操作的體細胞克隆技術的關鍵難點在於,如何最大限度地減少對細胞的傷害。南開大學團隊設計並實現了機器人化的細胞核移植流程,包括卵母細胞撥動尋找極體、抽核和體細胞注入三部分。
科研人員通過分析微操作工具與細胞接觸過程中的細胞受力情況,分別實現了基於最小力的細胞撥動與抽核,保證了細胞核移植操作過程中細胞受力最小。“手動操作撥動細胞,細胞最大變形30至40微米,經過計算後的機器人操作細胞最大變形降低至10到15微米。如果以往的力度是‘一記重拳’,那麼現在就是‘輕輕一推’。”趙新介紹,該微操作系統採用基於平衡壓模型的操作,也讓抽取細胞核的過程更加“可控”“温柔”。
實驗結果表明,基於最小力的細胞撥動方法顯著減少了對細胞的傷害;後續細胞培養表明,與人工操作相比,基於最小力的細胞抽核操作,細胞後續發育率顯著更高。
“最令人興奮的是,在體外實驗中我們採用這套微操作平台對53個卵母細胞進行核移植,其中11個重構胚發育成為標誌着克隆成功的囊胚,發育率達到21%。而此前體細胞克隆的囊胚率始終維持在10%左右。”趙新説。
為了讓這項技術“開花結果”,南開大學科研團隊,將該核移植方法應用於整個複製豬流程,先後完成了數千例核移植操作,來驗證方法的有效性。2017年1月初,分四批完成了510例核移植操作,並將這510枚克隆胚胎移植到6頭母豬體內。最終,兩頭母豬順利受孕,並與4月26、29日分別產下7頭、6頭,共計13頭健康的複製豬。
“我們的研究第一次從細胞的發育角度指導微操作,通過細胞受力將微操作過程與細胞發育結果建立聯繫。這套方法的推廣可進一步提高微操作技術對整體生物過程的貢獻。可以預見,在輔助生育、動植物品種改良以及大眾醫療、家畜生產等領域具有很好的應用前景。”趙新説。
據瞭解,該項目獲得國家重大科研儀器研製專項、“863”計劃先進製造領域、天津市智能機器人重大科技專項支持。(完)
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