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中国科学报:世界首例机器人“操刀”克隆猪诞生

来源: 中国科学报 2017年7月11日8版     发稿时间: 2017-07-11 16:03

南开大学团队将体细胞克隆成功率提高一倍

  本报通讯员 吴军辉

  近日,经过两个多月的漫长等待,一份特殊的“亲子鉴定”报告出炉,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”。这从医学上证明了世界首例机器人操作的体细胞克隆猪在中国天津诞生。

  经过110天孕育,4月26日、29日,两头普通的“代孕”母猪先后顺利产下了13头健康的纯种小长白猪。较之以往的“手工操作”克隆技术,此次机器人的自动化“操刀”,用力更小、对细胞伤害更少、更高精度的操作将体细胞克隆技术成功的关键指标“囊胚率”从10%提高至20%。这一数据令全球同行惊讶不已。

  “机器人操作体细胞克隆猪”研究来自南开大学机器人所教授赵新领导的跨学科研究团队,天津市畜牧兽医研究所是主要合作单位。南开大学机器人所研发多年的“面向生物医学工程的微操作机器人系统”曾获2002年度国家技术发明二等奖。此次克隆猪的诞生,也是该技术时隔15年后获得的又一重大突破。

  体细胞克隆是改良生物品种的经典方法之一。它将普通品种卵母细胞的细胞核去除后,注入优良品种的体细胞。这种方法的优势在于获得的后代一定是优良品种。然而,极低的成功率成为了体细胞克隆技术发展的瓶颈。

  “作为最复杂的微操作之一,体细胞克隆技术急需实现机器人化。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,是我们面临的真正挑战。”赵新说。

  针对上述问题,南开大学研究团队面向生命科学发展需求展开科研攻关,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,利用该仪器实现了机器人化的细胞核移植流程。

  据介绍,基于机器人微操作的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。对此,南开大学团队设计并实现了机器人化的细胞核移植流程,包括卵母细胞拨动寻找极体、抽核和体细胞注入三部分。

  科研人员通过分析微操作工具与细胞接触过程中的细胞受力情况,分别实现了基于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。如果以往的力度是‘一记重拳’,那么现在就是‘轻轻一推’。”赵新介绍,该微操作系统采用基于平衡压模型的操作,也让抽取细胞核的过程更加“可控”“温柔”。

  实验结果表明,基于最小力的细胞拨动方法显著减少了对细胞的伤害;后续细胞培养表明,与人工操作相比,通过基于最小力的细胞抽核操作,细胞后续发育率显著提高。

  “最令人兴奋的是,在体外实验中我们采用这套微操作平台对53个卵母细胞进行核移植,其中11个重构胚发育成为标志着克隆成功的囊胚,发育率达到21%。而此前体细胞克隆的囊胚率始终维持在10%左右。”赵新说。

  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,以验证方法的有效性。2017年1月初,该团队分四批完成了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,并于4月26日、29日分别产下7头、6头,共计13头健康的克隆猪。

  “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。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。”赵新说。

  据了解,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。

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