Wie Wissenschaftler fast eine Million Fläschchen mit gefrorenem Tiersperma schützen

Es geht um winzige Strohhalme und viel flüssigen Stickstoff.

Sie können nicht einfach durch das beige Gebäude schlendern: Für den Zugang zum National Laboratory for Genetic Resources Preservation ist eine im Voraus gebuchte Führung erforderlich. Aber schließen Sie die Augen und versuchen Sie, es sich vorzustellen: Ein großer, sauberer, sicherer Raum voller Dutzender schimmernder, zylindrischer Metalltanks, etwa hüfthoch und fünfeinhalb Fuß im Durchmesser. Sie sind so kalt, dass Wissenschaftler dicke, bogenlange blaue Handschuhe tragen müssen, um sie zu öffnen, und wenn sie dies tun, siedet der darin enthaltene flüssige Stickstoff an der Oberfläche. "Wir schauen oft durch Dämpfe", sagt der Tiergenetiker Harvey Blackburn.

Dieser Raum ist Teil des Agricultural Research Service-Komplexes in Fort Collins, Colorado. Obwohl es Tieren gewidmet ist, darunter dem Blöken von Schafen und Rindern, bei denen Methan aufstößt, werden Sie dort keine finden. Aber sie sind im genetischen Geist präsent. Dieser mit Tanks gefüllte Raum ist der weltweit größte Vorrat an Viehsamen.

Wenn Sie einen guten Grund haben, etwas Sperma von beispielsweise einem Eber oder einer Honigbiene oder einem Schaf oder einem Wels oder einem Yak zu brauchen, stehen die Chancen gut, dass Sie den Weg zu Blackburn oder einem seiner Kollegen finden. Zusammen sind sie die Hüter aller dieser Flüssigkeiten, zusätzlich zu Hodengewebe, Embryonen, Eierstöcken, Blut und vielem mehr. Sie sind vom National Animal Germplasm Program (NAGP) zusammengetragen und im US-Landwirtschaftsministerium (USDA) verankert ) Fort Collins Verbindung. Dort hat ein bisschen Sperma von einem Duroc-Eber kürzlich die Gesamtstichprobe der Einrichtung auf eine Million erhöht - 952.127 davon sind Sperma und Samen -, die von domestizierten Nutztieren und Wassertieren stammen und 167 Rassen und 36 Arten umfassen.

Wie bei den Samenbanken handelt es sich bei diesem Cache aus organischem Material um eine High-Tech-Arche Noahs - eine Versicherung gegen den schlimmsten Fall. Sein Inhalt könnte dazu beitragen, Populationen kritischer Tiere wiederzubeleben, die beispielsweise durch eine Naturkatastrophe, den Klimawandel oder eine sich schnell bewegende Infektion ausgelöscht oder gestresst wurden. Die Sammlung kann jedoch auch für andere Zwecke verwendet werden, wie Blackburn und PJ Boettcher von der Abteilung Animal Production and Health der Vereinten Nationen, die in einem Papier von 2010 über bewährte Verfahren für die Aufbewahrung von tiergenetischem Material beschrieben wurden. "Die Freisetzung genetischer Ressourcen aus der Genbank muss nicht nur in Krisensituationen erfolgen", schrieben sie. "Es ist absolut machbar, dass Sperma, Embryonen oder DNA das Endlager für routinemäßige Züchtungs- und Forschungsaktivitäten verlassen." Das NAGP-Team veröffentlichte etwa 7.000 Proben an Züchter oder Forscher, die sie für verschiedene Projekte verwenden möchten, einschließlich der Erhöhung der genetische Vielfalt einer bestimmten Herde oder die Rekonstitution einer Schweinefamilie, die als Forschungsthemen verwendet wird.

Die Besorgnis über die genetische Vielfalt der Nutztiere setzte vor einigen Jahrzehnten ein. Die USDA beteiligte sich in den 1990er Jahren an der Diskussion, und die NAGP wurde 1999 gegründet. Die Genbanken haben seit der Jahrtausendwende einen regelrechten Aufschwung erlebt und wurden von der für globale Ernährung und Landwirtschaft zuständigen Abteilung der Vereinten Nationen nachdrücklich unterstützt. In einem Bericht der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2015 wurde festgestellt, dass der Anteil der vom Aussterben bedrohten Nutztierrassen in den vergangenen Jahren aufgrund von "genetischer Erosion", Landnutzungsmustern und mehr nach einer Veröffentlichung. Darüber hinaus sei mehr als die Hälfte aller Nutztierrassen mit ungewissen Risiken konfrontiert, schreiben die Autoren des Berichts, da nur wenige Daten über ihre Populationen vorliegen. Mittlerweile gibt es weltweit mehr als 120 Genbanken für Nutztiere. Die USDAs sind die größten, sagt Blackburn, gefolgt von denen in den Niederlanden, Frankreich und Kanada.

Diese Reserven müssen vorsichtige Hausmeister sein. Da verschiedene Länder mit unterschiedlichen biologischen Gegnern konfrontiert sind, handeln sie nicht unbedingt mit vielen Proben. Der Import von Proben aus anderen Ländern in die USA erfordert die Genehmigung des Tier- und Pflanzengesundheitsinspektionsdienstes der USDA und einen sauberen Gesundheitsnachweis für das beitragende Tier, so Blackburn. Wenn Banken grenzüberschreitend Proben austauschen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine in den USA mit einer in Kanada zusammenarbeitet, sehr viel höher, da beide von einer hoch ansteckenden Maul- und Klauenseuche betroffen sind (und daher sicherstellen, dass sie nicht in die USA gelangt) ihre Einrichtungen), sagt Blackburn. Andererseits würde keiner von beiden wahrscheinlich eine Genehmigung zum Beitritt einer Stichprobe von einer Bank in einem Gebiet erhalten, das von der afrikanischen Schweinepest betroffen ist. Dieses Virus hat Schweinepopulationen in Brasilien, Russland, China und anderswo verwüstet, und niemand möchte, dass es in ganz Nordamerika verbreitet wird.

Die Proben kommen auf verschiedene Weise in der NAGP-Einrichtung an. Bereits 2004 spendete ABS Global, ein in Wisconsin ansässiges Unternehmen, das Nutztiere künstlich besamt, 200.000 jahrzehntealte Samenproben von mehr als 6.000 Bullen aus 43 Rassen. Manchmal suchen die NAGP-Forscher nach Schafen oder Ziegen, die sie in das Inventar aufnehmen möchten, und sammeln und frieren ihre Proben auf einer Farm ein. Für Eber unterhalten sie Beziehungen zu mehreren Gestütsbetrieben im Mittleren Westen, die sie innerhalb von 36 Stunden mit frischen Proben versorgen können.

Wenn eine frische Probe eintrifft, gibt das Team ihr eine Überschreitung - Temperatur, pH-Wert, Spermienmotilität - und kühlt sie dann in einen Zustand suspendierter Animation ab. Die Wissenschaftler nehmen beispielsweise eine Wildschweinprobe von 15 oder 17 Grad Celsius bis 5 Grad Celsius Transporttemperatur und verpacken sie in ½-Milliliter-Strohhalme, die ein bisschen aussehen wie Cocktailrührer. (Für eine Probe sind möglicherweise mehrere erforderlich.) Diese werden dann in flüssigem Stickstoff kryokonserviert. Sie werden sehr kalt, sehr schnell. Eine Eberprobe erreicht in etwa drei Minuten -220 Grad Fahrenheit (-140 Grad Celsius). Zu dem Zeitpunkt, an dem es in den Tanks gelagert wird, sind es -197 Grad Celsius (-322 Grad Fahrenheit), wo es fast unbegrenzt haltbar ist. "Es wird keine Verschlechterung der Qualität der Zelle geben", sagt Blackburn. „Wenn wir sie bei der Temperatur lagern, sollten sie eine Lebensdauer von 1.000 Jahren haben“, fügt er hinzu. "Sobald wir sie haben, haben wir sie so ziemlich."

Jede Woche müssen die Mitarbeiter nur den flüssigen Stickstoff nachfüllen. Jeder Tank - groß genug für 120.000 Strohhalme - fasst 2.000 Liter. "Solange der Tank in gutem Zustand und mit der richtigen Temperatur ist, müssen Sie nichts anderes tun", sagt Blackburn.

Das Entfernen einer Probe ist jedoch eine Übung in Präzision und Vorsichtsmaßnahme. Zunächst drehen die Wissenschaftler eine Art faule Susan, um auf den rechten Teil der Wanne zuzugreifen. Sie verwenden zwei Fuß lange, pinzettenartige Werkzeuge, um den ausgewählten Kanister aus dem flüssigen Stickstoff zu ziehen und ihn dann in eine Styroporbox mit einem Spritzer flüssigen Stickstoff zu überführen. Sie greifen dann nach einem feineren Satz von Werkzeugen, um den spezifischen Strohhalm zu zupfen. Sobald die Probe aufgetaut ist, ist sie einsatzbereit, kann jedoch nicht zurückkehren. "Die Lebensfähigkeit nimmt erheblich ab, wenn wir einfrieren, auftauen und erneut versuchen, einzufrieren", sagt Blackburn.

"Indem wir sie bei der Temperatur lagern, die wir haben, sollten sie 1000 Jahre halten."

Blackburn schätzt, dass der NAGP pro Jahr zwischen 20.000 und 25.000 neue Keimplasmaproben sammelt, hauptsächlich um mit der aktuellen genetischen Vielfalt zwischen Rassen und Arten auf dem Laufenden zu bleiben. Die USDA-Forscher arbeiten mit Tausenden von Partnern im ganzen Land zusammen, um herauszufinden, wo der genetische Wandel am schnellsten vor sich geht. Dabei wird in der Regel nachverfolgt, wie lange eine bestimmte Rasse oder Spezies benötigt, um zur Geschlechtsreife zu gelangen. Laut Daniel Buskirk, einem Rindfleischspezialisten an der Michigan State University, werden Angus-Bullen normalerweise ab dem 18. Lebensmonat bis zum Alter von vier oder fünf Jahren gezüchtet. Ab diesem Zeitpunkt werden sie ersetzt, um die Herde genetisch gesund zu halten. Für Schweine und Hühner, sagt Blackburn, entstehen neue Generationen in viel kürzerer Zeit.

Dies bedeutet, dass die Forscher trotz des allgemeinen Stillstands der Sammlung immer auf der Suche nach frischen Proben sind. Die Aufgabe ist unerbittlich. Der NAGP-Lagerbereich fasst derzeit etwa 60 Tanks. es gibt platz für 200 mehr. "In der Einrichtung haben wir eine ganze Etage, die wir noch nicht einmal in Betrieb genommen haben", sagt Blackburn. Zumindest für den Moment haben sie also Raum zum Wachsen.

"Die ganze Idee ist es, genetische Ressourcen zu haben, die für alle Bedürfnisse des Landes nutzbar sind", sagt Blackburn. Solange es in den USA eine Viehwirtschaft gibt, werden die Wissenschaftler in diesem Colorado-Komplex ihre Sammlung ständig erweitern.