Un zoológico congelado es una instalación de almacenamiento en la que los materiales genéticos tomados de animales (por ejemplo, ADN , esperma , óvulos , embriones y tejido vivo) se almacenan a temperaturas muy bajas (−196 °C) en tanques de nitrógeno líquido. [1] El material preservado de esta manera se puede almacenar indefinidamente [2] y utilizar para inseminación artificial , fertilización in vitro , transferencia de embriones y clonación . Hay algunos zoológicos congelados en todo el mundo que implementan esta tecnología para esfuerzos de conservación. Varias especies diferentes se han introducido en esta tecnología, incluido el íbice de los Pirineos, el hurón de patas negras y potencialmente el rinoceronte blanco.
El primer zoológico congelado fue establecido en el Zoológico de San Diego por el patólogo Kurt Benirschke en 1972. [3] [4] [5] En ese momento no había tecnología disponible para hacer uso de la colección, pero Benirschke creía que dicha tecnología se desarrollaría en el futuro. [6] La idea del zoológico congelado fue apoyada más tarde en el artículo de 1992 de Gregory Benford que proponía una Biblioteca de la Vida. [7] Los zoológicos como el Zoológico de San Diego y los programas de investigación como el Centro Audubon para la Investigación de Especies en Peligro de Extinción [8] [2] criopreservan material genético para proteger la diversidad del acervo genético de las especies en peligro de extinción, o para prever una posible reintroducción de especies extintas como el tigre de Tasmania [9] y el mamut . [10]
La recolección de material para un zoológico congelado se simplifica por la abundancia de esperma en los machos. El esperma se puede extraer de un animal después de la muerte. La producción de óvulos, que en las hembras suele ser baja, se puede aumentar mediante un tratamiento hormonal para obtener entre 10 y 20 ovocitos , según la especie. Algunos zoológicos congelados prefieren fertilizar los óvulos y congelar el embrión resultante, ya que los embriones son más resistentes en el proceso de criopreservación. [11] Algunos centros también recogen muestras de células de la piel de animales en peligro de extinción o especies extintas. El Instituto de Investigación Scripps ha logrado convertir células de la piel en cultivos de células especiales llamadas células madre pluripotentes inducidas ( células IPS ). En teoría, es posible producir espermatozoides y óvulos a partir de estas células IPS. [4]
A partir de 2021, varios animales cuyas células se conservaron en zoológicos congelados han sido clonados para aumentar la diversidad genética[actualizar] de especies en peligro de extinción . En 2003 se realizó un intento de clonar una especie extinta; el íbice de los Pirineos recién nacido murió a causa de un trastorno del desarrollo que puede haber estado relacionado con la clonación, y no hay suficientes muestras genéticas en zoológicos congelados para recrear una población reproductora de íbice de los Pirineos.
El Zoológico Congelado del Instituto de Investigación para la Conservación del Zoológico de San Diego actualmente almacena una colección de 8.400 muestras de más de 800 especies y subespecies. [12] El Zoológico Congelado del Instituto de Investigación para la Conservación del Zoológico de San Diego ha actuado como precursor de proyectos similares en otros zoológicos de los Estados Unidos y Europa. [13] [14] Sin embargo, todavía hay menos de una docena de zoológicos congelados en todo el mundo. [2]
En el Centro de Cría de Fauna Árabe en Peligro de Extinción (BCEAW) de los Emiratos Árabes Unidos en Sharjah , los embriones almacenados incluyen al gato montés de Gordon ( Felis silvestris gordoni ), una especie extremadamente amenazada, y al leopardo árabe ( Panthera pardus nimr ) (del que sólo quedan 50 en estado salvaje). [11]
El Centro Audubon para la Investigación de Especies en Peligro de Extinción, afiliado a la Universidad de Nueva Orleans , mantiene un zoológico congelado. En 2000, el Centro implantó un embrión congelado y descongelado de un gato montés africano en grave peligro de extinción en el útero de un gato doméstico, lo que dio como resultado un gato montés macho sano. [15]
El Arca Congelada es un zoológico congelado establecido en 2004 y administrado conjuntamente por la Sociedad Zoológica de Londres , el Museo de Historia Natural de Londres y la Universidad de Nottingham . [16] [17] Esta organización opera como una organización benéfica con muchos departamentos diferentes, incluido el laboratorio de ADN, el consorcio, los grupos de expertos en taxones y la base de datos. [18] En el laboratorio de ADN, las muestras se contienen después de la recolección de los científicos, y allí se llevan a cabo diferentes proyectos de investigación. El consorcio actúa como un puente para reunir a grupos diferentes, pero importantes, de zoológicos, acuarios, museos y universidades. Los grupos de expertos en taxones monitorean los principales filos y listas como la Lista Roja de la UICN. La base de datos es la pieza esencial, ya que contiene todos los informes y registros necesarios para realizar todas las demás funciones de la organización benéfica. [18] La esperanza para el futuro es que los zoológicos y acuarios puedan recolectar muestras de sus especies amenazadas y/o en peligro de extinción en casa para ayudar con los esfuerzos de conservación. [18] La recolección y congelación de estas muestras permite la distribución de gametos entre poblaciones. Las muestras pueden recolectarse tanto de huéspedes vivos como de huéspedes fallecidos. [18] [19]
El Centro de Biociencia Regenerativa de la Universidad de Georgia está construyendo un zoológico congelado. El director del RBC, Steven Stice, y el profesor adjunto de ciencias animales y lácteas, Franklin West, crearon la instalación con la idea de salvar especies de felinos en peligro de extinción. Los científicos ya han extraído células de un tigre de Sumatra , que podrían utilizarse para la inseminación artificial. La inseminación artificial proporciona un remedio para los animales que, debido a razones anatómicas o fisiológicas, no pueden reproducirse de forma natural. La reproducción de material genético almacenado también permite fomentar mejoras genéticas y prevenir la endogamia. La tecnología moderna permite la manipulación genética de los animales sin mantenerlos en cautiverio. Sin embargo, el éxito de su restauración en la naturaleza requeriría la aplicación de nueva ciencia y una cantidad suficiente de material previamente recolectado. [11]
Debido a las temperaturas muy bajas requeridas, las muestras de ADN se someten a distintos niveles de estrés. Los espermatozoides , en particular, se estresan por el choque térmico, el estrés osmótico y el estrés oxidativo, siendo este último el más perjudicial. [20] Cuando se produce un choque térmico, la membrana se daña mediante la congelación y descongelación del esperma. El estrés osmótico se produce cuando se forman cristales de hielo dentro del núcleo durante el proceso de congelación, lo que provoca diferentes presiones osmóticas dentro de la célula. El estrés oxidativo es el resultado de demasiadas especies reactivas de oxígeno (ROS), que son altamente reactivas y dañinas para todas las partes de la célula. [20] [21] Aunque estos factores de estrés están presentes dentro de la célula, existen soluciones para cada uno de ellos. Al introducir colesterol en las muestras, se puede reducir el choque térmico. El uso de proteínas anticongelantes proporciona una solución para el estrés osmótico. El estrés oxidativo es el más difícil de combatir debido a los componentes altamente reactivos de las ROS, pero algunas medidas, como agregar ciertas proteínas, limitan el daño por congelación y descongelación y aumentan la tasa de supervivencia del ADN. [20]
Un gaur que murió por causas naturales tenía algunas células de la piel congeladas y añadidas al Zoológico Congelado de San Diego. Ocho años más tarde, el ADN de estas células se insertó en un óvulo de vaca doméstica para crear un embrión (clonación transespecie), que luego se implantó en una vaca doméstica ( Bos taurus ). El 8 de enero de 2001, el gaur, llamado Noah, nació en Sioux Center, Iowa . Noah estaba inicialmente sano, pero al día siguiente, enfermó de enteritis clostridial y murió de disentería dentro de las 48 horas posteriores al nacimiento. Esto no es poco común en animales no clonados, y los investigadores no pensaron que se debiera a la clonación. [22]
El banteng fue la segunda especie en peligro de extinción en ser clonada con éxito , y el primer clon en sobrevivir más allá de la infancia. [23] [24] Los científicos de Advanced Cell Technology en Worcester, Massachusetts , extrajeron ADN de células de la piel de un banteng macho muerto, que se conservaron en las instalaciones del Zoológico Congelado de San Diego, y lo transfirieron a óvulos de vacas banteng domésticas, un proceso llamado transferencia nuclear de células somáticas . Treinta embriones fueron creados e implantados en vacas banteng domésticas. Dos fueron llevados a término y nacieron por cesárea . El primero nació el 1 de abril de 2003, y el segundo dos días después. El segundo fue sacrificado , aparentemente sufriendo el síndrome de descendencia grande (un trastorno de sobrecrecimiento ), pero el primero sobrevivió y vivió siete años en el Zoológico de San Diego, donde murió en abril de 2010 después de romperse una pata y ser sacrificado. [25] [26]
En 2020 nació el primer caballo de Przewalski clonado, fruto de una colaboración entre San Diego Zoo Global , ViaGen Equine y Revive & Restore . [27] La clonación se llevó a cabo mediante transferencia nuclear de células somáticas (SCNT), mediante la cual se crea un embrión viable trasplantando el núcleo que contiene ADN de una célula somática a un óvulo inmaduro ( ovocito ) al que se le ha extraído su propio núcleo, produciendo una descendencia genéticamente idéntica al donante de células somáticas. [28] Dado que el ovocito utilizado era de un caballo doméstico, este fue un ejemplo de SCNT interespecie. [29]
El donante de células somáticas fue un semental de caballo de Przewalski llamado Kuporovic, nacido en el Reino Unido en 1975 y reubicado tres años después en los EE. UU., donde murió en 1998. Debido a las preocupaciones por la pérdida de variación genética en la población de caballos de Przewalski cautivos, y en previsión del desarrollo de nuevas técnicas de clonación, el tejido del semental fue criopreservado en el Zoológico Congelado del Zoológico de San Diego. La cría de este individuo en la década de 1980 ya había aumentado sustancialmente la diversidad genética de la población cautiva, después de que se descubriera que tenía más alelos únicos que cualquier otro caballo vivo en ese momento, incluido material genético perdido de otra manera de dos de los fundadores cautivos originales. [27] Para producir el clon, se descongelaron fibroblastos de piel congelados y se cultivaron en cultivo celular . [30] Se recolectó un ovocito de un caballo doméstico y su núcleo se reemplazó por un núcleo recolectado de un fibroblasto de caballo de Przewalski cultivado. El embrión resultante fue inducido a iniciar la división y fue cultivado hasta que alcanzó la etapa de blastocisto , luego implantado en una yegua sustituta de caballo doméstico, [30] que llevó el embrión a término y dio a luz un potro con el ADN del caballo de Przewalski del semental fallecido hacía mucho tiempo.
El caballo clonado recibió el nombre de Kurt, en honor al Dr. Kurt Benirschke , un genetista que desarrolló la idea de criopreservar material genético de especies consideradas en peligro de extinción. Sus ideas llevaron a la creación del Frozen Zoo como biblioteca genética. [31] Hay una manada de cría en el San Diego Zoo Safari Park . [32] Una vez que el potro madure, será reubicado en la manada de cría en el San Diego Zoo Safari Park , [32] para pasar los genes de Kuporovic a la población más grande de caballos de Przewalski cautivos y aumentar la variación genética de la especie. [27]
Para ayudar a mitigar la depresión endogámica de dos especies en peligro de extinción, el hurón de patas negras (Mustela nigripes) , Revive & Restore facilita los esfuerzos en curso para clonar individuos de líneas celulares históricas almacenadas en el Zoológico congelado de la Wildlife Alliance del Zoológico de San Diego. El programa busca restaurar la variación genética perdida del acervo genético vivo.
El 10 de diciembre de 2020 nació el primer hurón de patas negras clonado del mundo . Este hurón, llamado Elizabeth Ann , marcó la primera vez que una especie en peligro de extinción de Estados Unidos fue clonada con éxito. [33] [34]
Las células de dos hurones de patas negras capturados en la naturaleza en la década de 1980 que nunca se reprodujeron en cautiverio se conservaron en el zoológico congelado de la Alianza de Vida Silvestre de San Diego. Uno de ellos fue clonado para aumentar la diversidad genética de esta especie en diciembre de 2020. Se planean más clones de ambos. Inicialmente, se reproducirán por separado de la población no clonada. [35]
La cabra montés de los Pirineos se extinguió en el año 2000. En 2003, las células congeladas de la última cabra montés (una hembra muerta por la caída de una rama) se utilizaron para clonar 208 embriones, de los cuales 7 se implantaron con éxito en cabras y uno llegó a término. Esa cabra montés murió de insuficiencia respiratoria justo después del nacimiento; muy posiblemente como resultado del proceso de clonación, sus pulmones no se habían desarrollado adecuadamente. Es posible que no se hayan conservado suficientes células de individuos para crear una población reproductora. [36] [37] A pesar de la muerte de la cabra montés, el análisis de ADN reveló que la descendencia era un clon legítimo de su último descendiente vivo. [38]
A lo largo de los años, las preocupaciones por la disminución de la población del rinoceronte blanco del norte ( Ceratotherium simum cottoni ) han aumentado con el aumento del valor de sus cuernos para los cazadores furtivos. En concreto, la población ha disminuido casi el setenta por ciento entre 2011 y 2019. [39] Procesos como la SCNT pueden ayudar en los esfuerzos de conservación para la reactivación de su población. Los investigadores están considerando las células madre pluripotentes inducidas (iPSC), ya que ofrecen posibilidades ilimitadas. [40] Con la falta de apareamiento natural que ocurre dentro de la especie debido al número limitado de ellas, esta subespecie ofrece a los investigadores la oportunidad de la intervención con iPSC. Otros métodos, incluida la inseminación artificial con semen fresco (IA), se han utilizado con éxito en otra subespecie, el rinoceronte blanco del sur ( Ceratotherium simum simum ). [41] El semen congelado-descongelado se ha probado y ha tenido algunos éxitos, ayudando a resolver problemas con la reproducción de la especie en su conjunto. [41]