機(jī)器人微操作將體細(xì)胞克隆成功率提高一倍

世界首批由機(jī)器人“操刀”的克隆豬誕生

機(jī)器人正在操刀細(xì)胞核的抽取和注入，這是克隆豬的關(guān)鍵步驟。

現(xiàn)在連機(jī)器人都學(xué)會(huì)了克隆技術(shù)。近日，全球首例由機(jī)器人操刀的克隆豬在天津誕生，這一批成活的13頭小豬均由豬的體細(xì)胞克隆而成，個(gè)個(gè)都是精挑細(xì)選的優(yōu)良品種。

這項(xiàng)研究來自南開大學(xué)機(jī)器人所趙新教授領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)。2002年，南開大學(xué)機(jī)器人所研發(fā)出“面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)”，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。時(shí)隔15年，在天津市畜牧獸醫(yī)研究所的支持下，微操作機(jī)器人系統(tǒng)再次取得重大突破，在世界上第一次成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操刀克隆豬。

“克隆”這個(gè)詞風(fēng)靡全球，不得不感謝21年前一只名叫多莉的綿羊。1996年她登上《自然》雜志，成為全世界最著名的小綿羊，讓人類第一次見到活生生的哺乳動(dòng)物被成功克隆出來。隨后，全世界掀起了一股“克隆熱”，不斷有人宣告克隆牛、克隆豬，甚至克隆貓的成功，當(dāng)然，也引發(fā)了各種各樣的爭(zhēng)議和思考。

如今，體細(xì)胞克隆已經(jīng)成為改良生物品種的經(jīng)典方法之一，克隆出的后代與體細(xì)胞供體的基因完全一樣，也就是說，和父母一樣品質(zhì)優(yōu)良。

克隆豬的過程非常復(fù)雜，成功率非常低。如果用最簡(jiǎn)單的話來描述這個(gè)艱巨的工程，大致可分三步：首先取得一個(gè)優(yōu)良品種的體細(xì)胞和一個(gè)普通母豬的卵母細(xì)胞，第二步將卵母細(xì)胞核去除并注入優(yōu)良品種的體細(xì)胞核，第三步注入代孕母豬體內(nèi)直至產(chǎn)下幼仔。

機(jī)器人做的是第二步，也是最為復(fù)雜的關(guān)鍵步驟。趙新介紹，無論是人工操作，還是機(jī)器人微操作，體細(xì)胞克隆技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)在于，如何最大限度地減少對(duì)細(xì)胞的傷害。

在整個(gè)過程中，細(xì)胞核的抽取和注入，是難度最大的環(huán)節(jié)。“以往人工在顯微鏡下操作，需要反復(fù)調(diào)節(jié)目鏡的位置，同時(shí)憑借個(gè)人多年的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，完成細(xì)胞核的‘取’和‘放’。”趙新說，人工操作畢竟存在穩(wěn)定性不強(qiáng)、技術(shù)人員水平有差異等問題，“機(jī)器人在這些方面有很大優(yōu)勢(shì)。”

南開大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出具有可視化、微創(chuàng)化、定點(diǎn)化、定量化功能，集檢測(cè)分析與操作于一體的原位顯微分析與操作儀，這就是操刀克隆豬的機(jī)器人，在它的幫助下實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化的細(xì)胞核移植的自動(dòng)化流程，包括卵母細(xì)胞撥動(dòng)尋找極體、抽核和體細(xì)胞注入三部分。

機(jī)器人要給一個(gè)直徑只有幾微米的細(xì)胞做個(gè)大“手術(shù)”，只需1分鐘，甚至比人類更加“溫柔”。在如此微觀的世界里，要保證精度是件很困難的事，“不僅僅是尺寸上的精度，更重要的是如何讓力度恰到好處。”趙新形象地打了個(gè)比方，如果以往人類的力度是“一記重拳”，那么現(xiàn)在機(jī)器人可以做到“輕輕一推”。在計(jì)算機(jī)的控制下，機(jī)器人采用基于平衡壓模型的操作，可以精確地保證抽取細(xì)胞核的過程更加可控，“力氣不大也不小”。

通過分析“機(jī)器手”與細(xì)胞接觸過程中的細(xì)胞受力情況，如今機(jī)器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最小力的細(xì)胞撥動(dòng)與抽核，保證了細(xì)胞核移植操作過程中細(xì)胞受力最小。“手動(dòng)操作撥動(dòng)細(xì)胞，細(xì)胞最大變形30至40微米，經(jīng)過計(jì)算后的機(jī)器人操作細(xì)胞最大變形降低至10到15微米。”

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了機(jī)器人在這方面確實(shí)更加勝任，后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)表明，與人工操作相比，基于最小力的細(xì)胞抽核操作，細(xì)胞后續(xù)發(fā)育率顯著更高。

數(shù)據(jù)是更加有力的證明。在體外實(shí)驗(yàn)中，趙新團(tuán)隊(duì)采用這套微操作平臺(tái)對(duì)53個(gè)卵母細(xì)胞進(jìn)行核移植，其中11個(gè)重構(gòu)胚發(fā)育成為囊胚，這是克隆成功的標(biāo)志，發(fā)育率達(dá)到21%，“此前體細(xì)胞克隆的囊胚率始終維持在10%左右。”

為了讓這項(xiàng)技術(shù)“開花結(jié)果”，南開大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)將該核移植方法應(yīng)用于整個(gè)克隆豬流程，先后完成了數(shù)千例核移植操作來驗(yàn)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，并將這510枚克隆胚胎移植到6頭母豬體內(nèi)。最終，兩頭母豬順利受孕，并分別產(chǎn)下7只和6只健康的克隆豬。

這幾天，這些由機(jī)器人自動(dòng)化“操刀”成功克隆出的小豬， 拿到了“親子鑒定”報(bào)告，結(jié)果顯示，13頭克隆小豬與“代孕”母親無血緣關(guān)系，僅與供體細(xì)胞存在“親子關(guān)系”。

作為最復(fù)雜的微操作之一，體細(xì)胞克隆技術(shù)向前發(fā)展必然要遇到如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的問題，那么機(jī)器人在整個(gè)過程中顯得尤為重要，“通過機(jī)器人化體細(xì)胞核移植操作，提高后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)成功率，進(jìn)而提高整個(gè)體細(xì)胞克隆技術(shù)的成功率。”

目前，該項(xiàng)目獲得國(guó)家重大科研儀器研制專項(xiàng)、“863”計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域、天津市智能機(jī)器人重大科技專項(xiàng)支持。

“我們的研究第一次從細(xì)胞的發(fā)育角度指導(dǎo)微操作，通過細(xì)胞受力將微操作過程與細(xì)胞發(fā)育結(jié)果建立聯(lián)系。”趙新說，這套方法的推廣可進(jìn)一步提高微操作技術(shù)對(duì)整體生物過程的貢獻(xiàn)。可以預(yù)見，在輔助生育、動(dòng)植物品種改良以及大眾醫(yī)療、家畜生產(chǎn)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

克隆技術(shù)給了人類更廣闊的想象空間和無限的可能性，在全世界范圍內(nèi)關(guān)于技術(shù)與倫理的爭(zhēng)論也一直在進(jìn)行。“關(guān)于克隆的研究永無止境。”趙新說，“人類對(duì)于世界，未知永遠(yuǎn)比已知更多。”(胡春艷)

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