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世界首批由機器人“操刀”的克隆豬誕生
2017-07-07 08:03:38 來源: 中國青年報
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  現在連機器人都學會了克隆技術。近日,全球首例由機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胞克隆而成,個個都是精挑細選的優良品種。

  這項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。2002年,南開大學機器人所研發出“面向生物醫學工程的微操作機器人係統”,獲國家技術發明二等獎。時隔15年,在天津市畜牧獸醫研究所的支持下,微操作機器人係統再次取得重大突破,在世界上第一次成功實現機器人操刀克隆豬。

  “克隆”這個詞風靡全球,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物被成功克隆出來。隨後,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,當然,也引發了各種各樣的爭議和思考。

  如今,體細胞克隆已經成為改良生物品種的經典方法之一,克隆出的後代與體細胞供體的基因完全一樣,也就是説,和父母一樣品質優良。

  克隆豬的過程非常復雜,成功率非常低。如果用最簡單的話來描述這個艱巨的工程,大致可分三步:首先取得一個優良品種的體細胞和一個普通母豬的卵母細胞,第二步將卵母細胞核去除並注入優良品種的體細胞核,第三步注入代孕母豬體內直至産下幼仔。

  機器人做的是第二步,也是最為復雜的關鍵步驟。趙新介紹,無論是人工操作,還是機器人微操作,體細胞克隆技術的關鍵難點在于,如何最大限度地減少對細胞的傷害。

  在整個過程中,細胞核的抽取和注入,是難度最大的環節。“以往人工在顯微鏡下操作,需要反復調節目鏡的位置,同時憑借個人多年的經驗和技術,完成細胞核的‘取’和‘放’。”趙新説,人工操作畢竟存在穩定性不強、技術人員水平有差異等問題,“機器人在這些方面有很大優勢。”

  南開大學研究團隊研制出具有可視化、微創化、定點化、定量化功能,集檢測分析與操作于一體的原位顯微分析與操作儀,這就是操刀克隆豬的機器人,在它的幫助下實現了機器人化的細胞核移植的自動化流程,包括卵母細胞撥動尋找極體、抽核和體細胞注入三部分。

  機器人要給一個直徑只有幾微米的細胞做個大“手術”,只需1分鐘,甚至比人類更加“溫柔”。在如此微觀的世界裏,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。”趙新形象地打了個比方,如果以往人類的力度是“一記重拳”,那麼現在機器人可以做到“輕輕一推”。在計算機的控制下,機器人採用基于平衡壓模型的操作,可以精確地保證抽取細胞核的過程更加可控,“力氣不大也不小”。

  通過分析“機器手”與細胞接觸過程中的細胞受力情況,如今機器人已經能夠實現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。”

  實驗結果證明了機器人在這方面確實更加勝任,後續細胞培養表明,與人工操作相比,基于最小力的細胞抽核操作,細胞後續發育率顯著更高。

  數據是更加有力的證明。在體外實驗中,趙新團隊採用這套微操作平臺對53個卵母細胞進行核移植,其中11個重構胚發育成為囊胚,這是克隆成功的標志,發育率達到21%,“此前體細胞克隆的囊胚率始終維持在10%左右。”

  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于整個克隆豬流程,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,並分別産下7只和6只健康的克隆豬。

  這幾天,這些由機器人自動化“操刀”成功克隆出的小豬, 拿到了“親子鑒定”報告,結果顯示,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”。

  作為最復雜的微操作之一,體細胞克隆技術向前發展必然要遇到如何實現産業化的問題,那麼機器人在整個過程中顯得尤為重要,“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。”

  目前,該項目獲得國家重大科研儀器研制專項、“863”計劃先進制造領域、天津市智能機器人重大科技專項支持。

  “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係。”趙新説,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、家畜生産等領域具有很好的應用前景。

  克隆技術給了人類更廣闊的想象空間和無限的可能性,在全世界范圍內關于技術與倫理的爭論也一直在進行。“關于克隆的研究永無止境。”趙新説,“人類對于世界,未知永遠比已知更多。”

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【糾錯】 責任編輯: 田穎
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