La biologiste marine Mary Hagedorn a été confrontée pendant plus de 20 ans à un problème apparemment insoluble. Elle cherchait un moyen de congeler et décongeler les embryons de poisson zèbre.
Un animal expérimental important, les gènes du poisson zèbre se rapprochent suffisamment de ceux de l'homme pour qu'il puisse être utilisé pour étudier des maladies telles que la dystrophie musculaire et le mélanome. Si le matériel de reproduction pouvait être facilement congelé et dégivré, ces études seraient plus faciles à mener et à reproduire, car les chercheurs n'auraient pas à travailler avec des calendriers de ponte ou à lutter contre la dérive génétique.
La difficulté réside dans la façon dont les poissons se reproduisent. Les scientifiques ont réussi à congeler - ou cryoconservation, pour utiliser le terme technique - et à décongeler du sperme et des ovules viables de nombreux animaux pendant des décennies. Mais les œufs de poisson se développent en dehors du corps du parent, ce qui pose des problèmes physiologiques qui ne se posent pas lorsque vous travaillez avec des cellules de bovins ou même d’êtres humains. L'œuf contient les nutriments dont aura besoin l'embryon en développement et possède également sa propre armure, ce qui signifie que ces œufs sont gros et souvent enfermés dans une membrane relativement imperméable.
En termes simples, les œufs de poisson ont tendance à être trop gros pour être congelés ou décongelés rapidement dans des circonstances ordinaires. Hagedorn, qui travaille comme chercheur en biologie au zoo national du Smithsonian et au centre de la survie des espèces du Institut de biologie de la conservation, les compare aux planètes. Les œufs de mammifère ressemblent généralement davantage aux membres les plus minuscules de notre système solaire - disons Mercure. Un oeuf de poisson zèbre est plus proche d'un géant comme Jupiter.
«Si vous ne congelez pas correctement les tissus, des cristaux de glace s'y formeront, ils perceront les cellules et les détruiront», explique Hagedorn.
Elle a passé 12 ans à la recherche d'une solution de contournement et a finalement opté pour une nouvelle solution impliquant la micro-injection d'un «cryoprotecteur» (un antigel, en gros) dans les œufs, une technique permettant à cet agent de contourner la membrane protectrice. Correctement calibrés pour éviter d'empoisonner les cellules, ces agents de protection pourraient aider à garantir qu'un œuf vitrifierait uniformément (deviendrait semblable à du verre) lorsqu'il serait plongé dans un bain d'azote liquide.
«Si vous ne congelez pas correctement les tissus, des cristaux de glace s'y formeront et les cellules seront transpercées et détruites», explique Mary Hagedorn à propos du problème qu'elle a rencontré pour tenter de congeler des embryons de poisson zèbre. (Encyclopédie de la vie / Bioimages) Bien que ce processus puisse effectivement mettre les embryons de poisson dans un état d'animation suspendue, leur réchauffement est resté un problème. Pendant qu’ils se réchauffent, il existe un point intermédiaire entre l’état vitreux idéal et la température ambiante où les cristaux de glace peuvent commencer à se reformer. Et ces cristaux peuvent endommager le matériel cellulaire, le laissant incapable de développement ultérieur.
«Nous devions les décongeler beaucoup plus rapidement», a déclaré Hagedorn. “En utilisant les outils que nous avions en 2011. . . J'ai heurté un mur.
Pendant un moment elle a abandonné.
Et c'est ainsi que les choses auraient pu rester si ce n'était pas pour une rencontre fortuite lors d'une conférence sur la cryoconservation, en 2013, où elle a entendu une présentation de John Bischof, professeur de génie mécanique à l'Université du Minnesota.
Comme le dit Bischof, il avait présenté un sujet sans rapport avec les nanoparticules d'oxyde de fer, que son laboratoire a utilisé pour réchauffer sans danger les tissus humains destinés à la transplantation. Ses recherches ont été effectuées avec Hagedorn, l’invitant à réfléchir à son potentiel pour des applications non mammifères.
«Elle a dit: Que pouvez-vous faire pour m'aider avec les embryons», se souvient Bischof.
Cette première question a donné naissance à une collaboration interdisciplinaire complexe et permanente - une collaboration dans laquelle Hagedorn et Bischof insistent tous deux sur l'importance du travail de l'autre.
Leurs résultats, publiés cette semaine dans la revue ACS Nano, indiquent qu'il serait peut-être possible de réchauffer en toute sécurité des embryons de poisson congelés.
Les travaux de Peter Mazur, un scientifique aujourd'hui décédé, ont inspiré leur travail et ont estimé qu'il serait possible de réchauffer des embryons congelés avec des lasers. (Oui, les lasers.) Alors que l'idée était potentiellement bonne, il est difficile, m'a dit Hagedorn, de faire en sorte que les lasers transmettent de la chaleur à un matériau biologique. En collaboration avec un autre chercheur du nom de Fritz Kleinhans, Mazur a toutefois compris qu’il serait peut-être possible d’introduire dans la solution une substance contenant l’embryon, une substance qui capterait la chaleur du laser et la transmettrait à la matière biologique.
Dans le cas de Mazur, cela signifiait du noir de carbone sous forme d'encre indienne, une substance qui absorbe et transmet bien la chaleur - une substance qui, dit Kleinhans, peut tout simplement être achetée sur Amazon.com. Si elle était placée autour d'un embryon de souris congelé, par exemple, une seule impulsion laser pourrait amener presque instantanément le matériel cellulaire à la température ambiante, en contournant la phase intermédiaire du réchauffement où des cristaux de glace menacent de se former. Kleinhans dit qu'au cours de la première phase du travail de Hagedorn, elle avait espéré que cette technique pourrait également fonctionner pour les embryons de poisson zèbre. Hélas, ils étaient encore trop volumineux et lorsque la chaleur extérieure parvint au centre, des cristaux de glace mortels se formaient déjà.
Comme Hagedorn, Bischof et leurs collaborateurs l’écrivent dans leur nouveau journal, il existait un autre moyen. Étaler l'encre de Chine sur l'extérieur de l'embryon n'a peut-être pas été suffisant, mais que se passe-t-il si un autre matériau sensible y est inséré avant la congélation? Pour ce faire, ils ont opté pour des nanorodes d'or - structures moléculaires minuscules, des ordres de grandeur inférieurs à ceux d'un cheveu humain - qu'ils microinjectent avec des agents antigel dans l'embryon avant leur conservation, en utilisant les méthodes mises au point par Hagedorn des années auparavant.
Comme les chercheurs écrivent dans leur article, «Ces nanoparticules peuvent générer efficacement de la chaleur lorsque la longueur d'onde du laser correspond à l'énergie de résonance du plasmon de surface de la nanoparticule d'or». C'est une façon compliquée de dire que les nanododes pourraient absorber et amplifier l'énergie d'un bref éclair.
L'or, comme beaucoup d'autres substances, présente des propriétés différentes à l'échelle nanométrique par rapport à celles en vrac. Une impulsion laser milliseconde bien calibrée peut brusquement réchauffer un embryon grâce à la répartition de l’or qui le recouvre, en le réchauffant à une vitesse étonnante de 1, 4 x 10 7 ° C par minute, une température presque insondable et gérable dans les rapides les chercheurs emploient.
«Dans cette impulsion d'une milliseconde du laser, vous passez de l'azote liquide à la température ambiante», a déclaré Bischof. De manière significative, contrairement à toutes les méthodes que Hagedorn avait essayées auparavant, les résultats étaient suffisamment chauds - et largement distribués - pour réchauffer avec succès un embryon de poisson zèbre à la fois.
Cette barrière enfin franchie, des questions subsistaient. La clé parmi eux était de savoir si ces embryons seraient toujours viables. Comme le rapportent les chercheurs dans leur article, une part non négligeable d’entre eux l’était. Parmi ceux qu'ils ont décongelés, 31% ont survécu une heure après le réchauffement, 17% ont franchi la barre des trois heures et seulement 10% se développaient encore après la barre des 24 heures.
Bien que cela puisse paraître minime, il est bien supérieur au taux de survie de zéro pour cent obtenu par les méthodes précédentes. Hagedorn espère que les travaux futurs "amélioreront" ces chiffres. Et elle reste optimiste quant aux 10%. «Un poisson peut produire des millions d’œufs, et si je réussis à en congeler 10%, c’est un très bon chiffre», dit-elle.
Bien sûr, pour lutter contre des millions d’œufs, il faudrait que ceux-ci transforment encore le processus en efficacité. À ce stade, une grande partie de ce travail incombe à Bischof et à d’autres employés de son laboratoire, où des travaux sont déjà en cours pour améliorer le «débit» du processus, ce qui pourrait le transformer en une entreprise plus industrielle. «Je pense qu'un certain nombre de technologies habilitantes vont être développées dans ce sens dans les années à venir», m'a-t-il dit.
Si ce travail réussit, Hagedorn pense qu'il pourrait avoir d'autres utilisations qui iraient bien au-delà du modeste poisson-zèbre.
«De nombreux aquaculteurs veulent geler le poisson [matériel de reproduction], car ils ne fraient qu'une fois par an», a-t-elle déclaré. «Vous avez cet aspect de prospérité et de récession dans la gestion de leurs fermes. Si vous pouviez sortir les embryons du congélateur de manière plus programmée, les aliments seraient moins chers et plus fiables. ”
Cela pourrait également avoir un impact sur la conservation de la faune. Hagedorn, qui travaille principalement sur le corail aujourd'hui, pense que cela pourrait nous aider à réparer les récifs endommagés. Elle suggère également que cela pourrait à terme rétablir les populations de grenouilles épuisées et peut-être sauver d'autres espèces. Peu importe où le travail nous mènera dans le futur, cependant, cela témoigne du potentiel de la collaboration scientifique aujourd'hui.
«Au début, honnêtement, cela ne semblait pas réel. Cela a du sens biologique que nous puissions le faire, mais il semblait que nous ne rassemblerions jamais toutes les pièces », m'a-t-elle dit. «Si je ne m'étais pas assis à côté de John à cette réunion, nous n'aurions jamais fait cela. Sans nos efforts conjoints - l'ingénierie et la biologie - cela ne se serait pas produit. "
