Mamutgyártás lépésről lépésre - a jégkori óriás feltámasztásának nehézségei

Michael Crichton 1990-ben megjelent Jurassic Park című regényében egész elképzelhető módon dolgozza ki a rég kihalt dinoszauruszok életre keltésének lehetőségét, pedig akkoriban a leghosszabb meghatározott genetikai állomány, azaz genom egy vírusé volt. Azóta óriásit fejlődött a szekvenálási technika, és elkészült több száz állat, illetve az ember genomszekvenciája. Pár napja pedig bejelentették, hogy majdnem teljes egészében meghatározták egy kihalt állat, a gyapjas mamut (Mammuthus primigenius) örökítőanyagának bázissorrendjét. Vajon tényleg megvalósítható a kihalt állatok eddig csak a fantasztikus művekből ismert föltámasztása? Ezt mutatjuk be a Nature cikke alapján.

Nem vitás, hogy egy teljes genom birtokában és egy ma élő közeli rokonnal könnyebb "föltámasztani" egy mamutot, mint egy dinoszauruszt, írja Henry Nicholls tudományos újságíró a Nature-ben. Könnyebb, de nem könnyű. Ahhoz, hogy a genomtól egy élő, mozgó állatig jussunk, sok lépésen át vezet az út. Pontosan meg kell határozni a kívánt állat genomszekvenciáját, ezekből a szekvenciákból szintetizálni kell a kromoszómakészletet, a kromoszómákat körbe kell venni maghártyával, a sejtmagot be kell juttatni egy petesejtbe, majd a petét be kell juttatni a méhbe, ahol kifejlődik. Jelenleg egyik lépés sem valósítható meg. Elméletileg is leküzdhetetlenek ezek az akadályok, vagy valamikor a jövőben mégis újra színre léphetnek egyes kihalt állatok?

Pontos genomszekvencia

Első lépésként tehát jó minőségű szekvenciát kell készítenünk a mamut örökítőanyagáról. Mi számít jó minőségűnek? Svante Pääbo, a lipcsei Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet genetikai részlegének vezetője, a Neander-völgyi ember genomján dolgozó kutatók egyike szerint az, ha 10 000 bázispáronként kevesebb mint egy hiba fordul elő. Ehhez 12-szeres átfedésű minta szükséges. A jelenleg publikált mamutgenomnak nagyjából 0,7-szeres az átfedése. Az átfedés növelése részben pénz és idő kérdése, de a régi minták igen nagy kihívást jelentenek. Rengeteg bennük ugyanis a baktériumokból, gombákból és más élőlényekből származó DNS-szennyeződés.

Tegyük fel, hogy sikerül annyira jó minőségű DNS-szekvenciát előállítanunk, amelyben már nincs az életképességet kizáró mutáció. Ekkor újabb probléma tornyosul a kutatók elé. Pontosan meg kell állapítaniuk, hogyan osszák el a szekvenciát a kromoszómák között. A legkézenfekvőbb megoldás az lenne, ha megszámolnák egy ép mamutsejt kromoszómáit, és ezek elejét meg végét elemezve osztanák el közöttük a genetikai információt. De még a legjobb állapotban lévő mamutból származó anyag sem őrződött meg annyira, hogy ez kivitelezhető legyen.

Afrikai elefántok (Loxodonta africana)

Jelenleg fogalmunk sincs arról, hány kromoszómája lehetett a mamutnak. Az afrikai elefánt (Loxodonta africana) genomelemzése most folyik, és valamikor 2009 folyamán teszik közzé a hétszeres átfedésű szekvenciát. Ekkor alaposan kielemezhetik majd a mamutgenetikusok is, de hatalmas munka vár rájuk. A mamut ugyanis 7,6 millió éve vált el afrikai ősétől, és ez alatt a hosszú idő alatt minden bizonnyal rengeteg változás történt a kromoszómáiban. Az indiai elefánt (Elephas maximus indicus) genomszekvenciájának földerítése további segítséget jelent majd, mert ez az elefánt közelebbi rokonságban áll a mamuttal, mint afrikai testvére.

Végül ott a genetikai variáció kérdése. Az eddig publikált emlősgenomok zöme - a vázlatos mamutgenomot is beleértve - minden gén és a genom szekvenciájának egyetlen változatát jelentik. Az emlősökben azonban minden gén két példányban - egy apai és egy anyai változatban - fordul elő. Olyan mamut fölépítése, amelyben a kromoszómapárok egyformák, valószínűleg kész katasztrófa lenne, ugyanis a hibás gének teljes mértékben kifejeződnének. A sikerhez tehát valószínűleg a gének legalább kétféle változatára lenne szükség, ami egyelőre megoldhatatlannak látszó feladat.

Mesterséges DNS-szintézis

Ha mégis eljutnánk egyszer idáig, akkor rendelkezésre állna a precízen szekvenált genomunk, amelyben kijavítottuk a hibákat, meghatároztuk a kromoszómákat, megírtuk a kulcsfontosságú ismétlődő szekvenciákat és amelyben jelen van a kellő genetikai változatosság is. Itt következne a DNS-szintézis. Az eddig elkészített legnagyobb szintetikus genom a Mycoplasma genitaliumé, amely 582 970 bázispárból áll. A mamuté viszont 4,7 milliárdból, másfélszer annyi nukleotidból, amennyi az ember genomjában található. Tegyük fel, hogy a mamutnak ugyanannyi kromoszómája van, mint az elefántoknak, akkor a genomot 56 kromoszóma között kell elosztani, egybe tehát átlagosan 160 millió bázispár kerülne.

Kémcsőben jelenleg mintegy 8000 bázispár hosszúságú és elfogadható minőségű kettős szálú DNS-t lehet előállítani. Ennek költsége egy dollárnál kevesebb bázispáronként. Ahogy azonban növeljük a mesterségesen szintetizált DNS hosszát, úgy válik egyre törékenyebbé és instabilabbá. A M. genitalium DNS-ét rendkívül bonyolult eljárással sikerült összeállítani az amerikai J. Craig Venter Intézetben Escherichia coli baktérium és mesterséges élesztőkromoszóma felhasználásával.

Egyelőre tehát jószerivel lehetetlen akkora méretű mesterséges kromoszóma előállítása, mint a mamuté. Ha viszont arra gondolunk, hogy a DNS-szekvenálási technikák is mennyit fejlődtek alig két évtized alatt, illetve a költségük is töredékére csökkent, akkor talán a nem is olyan távoli jövőben megvalósítható lesz emlőskromoszómák szintetizálása is.

A kromoszómák becsomagolása

Ha sikerült a kromoszómák szintetizálása, be kell helyezni őket egy sejtmagba. A sejtek az osztódások után mindig visszacsomagolják a kromoszómákat a sejtmagba, ezért a folyamatnak ez a része meglehetősen jól ismert. Az 1980-as években fölfedezték, hogy ha csupasz DNS-t adnak békapetéből készült kivonathoz, akkor a DNS-t hamar fehérjemolekulák veszik körül és az úgynevezett kromatinállományba tömörítik; ezután a membrántöredékek összekapcsolódnak, és működőképes maghártyát hoznak létre a kromatin körül.

Az ilyen mesterséges sejtmagok képesek a DNS-replikációra (a DNS megkettőződésére) és bizonyos mértékű DNS-transzkripcióra (a DNS információinak átírására), mondja Douglass Forbes, a San Diegó-i Kalifornia Egyetem sejt- és fejlődésbiológia professzora. Forbes szerint a mesterséges mamutsejtmag kialakításához is célszerű lesz békapete-kivonatot használni, és nem valami hasonló élőlény - például elefánt - sejtmagtöredékeit. Az emlőssejtek ugyanis jóval kisebb mértékben hajlamosak spontán sejtmagot létrehozni. A békafehérjék azután később, amikor a sejtmagot elefántpetesejt citoplazmájába helyezik, kicserélődhetnek.

Az eljárás folyamán arra is figyelni kell, hogy a mamutkromoszómák együtt maradjanak a "becsomagoláskor". Ha ez nem sikerül, több miniatűr sejtmag jön létre véletlenszerű kromoszómaelosztással, ami befolyásolja a gének kifejeződését, a génexpressziót.

Elefántpetesejtek gyűjtése

Ez sem annyira egyszerű feladat, mint amilyennek első pillanatban látszik. A nőstény elefántok peteérése 16 hetes ciklusokban zajlik, de a vemhesség és a szoptatás miatt rendszeresen kimarad egy nagyjából ötéves időszak. A ciklusnak e természetes szüneteit megszakítani nemcsak kegyetlen, de meglehetősen hasztalan dolog is. Azokban az elefánttehenekben ugyanis, amelyek vemhesülését megakadályozzák, nagy valószínűséggel alakul ki petefészekdaganat, így egyáltalán nem jutunk több petéhez. Az elefánttehenek ovulációjakor ráadásul csak egyetlen oocita (érett petesejt) szabadul föl.

Az egyetlen biztató tény, hogy az elefántok ritka ovulációját korai figyelmeztető jel előzi meg. Az eddig tanulmányozott emlősök között egyedülálló módon az elefánt ovulációját a luteinizáló hormon szintjének nem egy, hanem két emelkedése előzi meg. A két csúcsot 18-20 nap választja el egymástól, és a második után következik be az ovuláció.

A nehézségek sora azonban itt még nem ér véget. Az elefántból szinte lehetetlen hagyományos úton kinyerni az érett petesejtet. Más állatoknál ultrahangos irányítással föl lehet vezetni a petegyűjtő eszközt az ivarjáraton, vagy laparoszkóppal lehet hozzájutni a petesejthez. Az elefántoknál azonban egyik út sem járható. Az állat urogenitális csatornája több mint egy méter hosszú a szűzhártyáig, amely még a párzás után is sértetlen marad (ez valószínűleg a vízi múlt evolúciós maradványa). Csak egy parányi lyuk van a közepén, amelyen átjuthatnak a hímivarsejtek. Ráadásul az ultrahangos irányítás megvalósíthatatlan, mert olyan mélyen található a petefészek az állat belsejében, hogy lehetetlen ultrahanggal megtalálni a tüsző helyét. A laparoszkópia sem jöhet szóba az állat anatómia sajátosságai miatt.

Egyetlen sikerrel kecsegtető módszer létezik. Kriobiológusok kidolgoztak egy eljárást, amelynek során lefagyasztott, majd felolvasztott petefészekszövetet ültettek másik állat - rendszerint laboratóriumi egér vagy patkány - petefészkébe. A módszer meglepően hatékony, az átültetett petefészekszövet megőrizte működőképességet. Az eljárást elefántoknál is kipróbálták már, és eljutottak az érett tüszők kialakulásáig. Utódokat ugyan még nem hoztak létre ilyen módon, de a lehetőség több mint biztató.

Magátültetés

Ha elegendő petesejt áll rendelkezésünkre, akkor a mai technikákkal nem okoz gondot az eredeti elefántsejtmag eltávolítása, hogy helyet csináljunk a szintetikus mamutsejtmagnak. A magátültetéshez azonban nemcsak ez szükséges. A sejt energiaellátó szervecskéinek, a mitokondriumoknak saját, elkülönült, fajra jellemző genomjuk van. Nem teljesen lehetetlen, hogy közeli rokon fajokból származó sejtmag és mitokondrium megférjen egymással, de az esetek zömében jelentős zavarok lépnek fel az ilyen hibridsejtek sejtlégzésében.

A klónozás egyik mozzanata

Ezt csak úgy lehet elkerülni, ha az elefántpetesejtből a sejtmagon kívül az összes elefántmitokondriumot is eltávolítjuk, és helyükre mamutmitokondriumokat ültetünk. Ez nem is annyira nehéz feladat, mint amilyennek első pillantásra tűnik, mivel rendelkezésre áll a mamutmitokondrium genomszekvenciája, és mesterséges mitokondriumot is lehet készíteni.

A magátültetés azonban még az előbbi óvintézkedéseket betartva is megbízhatatlan és nem hatékony módja az új emlősök létrehozásának. Az átültetetett sejtmagú petesejteknek csak töredékéből fejlődik embrió, és ezek sem mind képesek méhlepényt kialakítani. Sok megtapadt embrió spontán kilökődik, és a kevés világra jött utód közül több fejlődési rendellenességet mutat.

A magátültetés rossz hatásfokának oka a jelen kutatások szerint az, hogy a normális testi sejtek génjei nem megfelelően fejeződnek ki az embrionális fejlődéshez. Egy új felfedezés azonban áthidalhatja ezt az akadályt is. Noha a korai embriók zöme halálra van ítélve, őssejtforrásnak fölhasználhatók. Ezeket az őssejteket azután normális elefántembriókba lehet ültetni. Így kimérákat hozunk létre, amelyek egyes sejtjei mamutsejtek, mások meg elefántsejtek. Az ilyen kimérák nagyobb eséllyel fejlődnek életképes utódokká. Ezek az utódok ugyan még nem mamutok, de magukban hordozzák a lehetőséget, hogy később mamut legyen belőlük.

Ha elég kimérát állítunk elő, akkor egyes mamutsejtek végül a petefészekbe vagy a herébe kerülnek, így mamutpetéket vagy mamutspermiumot termelő elefántokat kapunk. Ilyen típusú "csíravonal kimérákat" már több fajból előállítottak. 2004-ben például japán kutatók a heréiben pisztrángsejteket hordozó lazacot állítottak elő, amely a tejével képes volt a pisztrángikrát megtermékenyíteni, és a petékből igazi kis pisztrángok keltek ki.

Embrióbeültetés

Eljutottunk a mamutkészítés utolsó fázisához: a megtermékenyített mamutpetét be kell juttatni a béranyába. Noha az elefántpeték hozzáférhetetlensége miatt senki sem próbálkozott még elefántembrió-átültetéssel, Thomas Hildebrandtnak, a berlini Állatkert és Vadkutató Intézet munkatársának van egy ötlete, hogy lehetne ezt megvalósítani. Szerinte spermamentes ondót kellene bejuttatni a szűzhártyáig aznap, amikor a hormonszint jelzi az elefánt ovulációját. Ezzel előkészíthetnénk az elefánt méhét az embrió befogadására. A megtermékenyített mamutpetét aztán a mesterséges megtermékenyítéshez használt eszközzel lehetne bejuttatni a méhbe.

A szibériai örökké fagyott talajból előkerült egyik mamutborjú

A mamutmagzat kihordása már valószínűleg nem jelentene gondot az anyának, a méret legalábbis nem lenne probléma. Egy indiaielefánt-borjú tömege nagyjából 120 kilogramm, marmagassága 1 méter. Az 1977-ben Szibériában kiásott Dima nevű mamutborjú is nagyjából ekkora lehetett, amikor elpusztult 7-8 hónapos korában. Egyes szakértők szerint még az is elképzelhető, hogy a mamutborjú kisebb, mint az elefántborjú.

Mire jó egy "újraélesztett" mamut?

Egyetlen mesterséges mamut csak egy szörnyszülött csodabogár lenne, nem faj, írja Nicholls. E példány világra jöttét több - lehetőleg más nemű - példánynak kellene követni, hogy szaporodhassanak. A genomjukat is manipulálni kéne, hogy kialakuljon bizonyos mértékű genetikai diverzitás. Élőhelyet is kellene találni nekik, ahol beilleszkedhetnének az ökoszisztémába. Ezek nem jelentenek sokkal kisebb feladatot, mint például a mamutkromoszómák szintetizálása.

Az egész mamutgyártási folyamat egyelőre csak gondolatkísérlet, és lehet, hogy sosem leszünk képesek újraéleszteni sem a mamutot, sem más kihalt állatot. Ne feledjük azonban, hogy alig 15 éve az emlősök klónozását is sokan kizártnak tartották, mondván, hogy drága és haszontalan. Ma pedig már szinte iparszerűen klónozzák a különféle emlősfajokat, sőt rendkívül jövedelmező üzletággá alakult a hobbiállatok klónozása. Tehát a mamutkészítésre sem szabad eleve kijelentenünk, hogy lehetetlen. Az biztos, hogy alaposan meg kell gondolnunk, mi lesz a következménye, ha ilyen mértékben beleavatkozunk a természetbe.