經(jīng)過110天孕育，兩頭普通的“代孕”母豬先后順利產(chǎn)下了13頭健康的純種小長白豬。較之以往“手工操作”克隆技術(shù)，此次機(jī)器人的自動化“操刀”，用力更小，對細(xì)胞傷害更少，更高精度的操作將體細(xì)胞克隆技術(shù)成功的關(guān)鍵指標(biāo)“囊胚率”從10%提高至20%。這一數(shù)據(jù)令全球同行驚訝不已。

細(xì)胞核移植流程機(jī)器人化

“機(jī)器人操作體細(xì)胞克隆豬”研究來自南開大學(xué)機(jī)器人所趙新教授領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊，天津市畜牧獸醫(yī)研究所是主要合作單位。南開大學(xué)機(jī)器人所研發(fā)多年的“面向生物醫(yī)學(xué)工程的微操作機(jī)器人系統(tǒng)”，曾經(jīng)獲2002年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。此次克隆豬的誕生，也是時隔15年后，該技術(shù)獲得的又一重大突破。

體細(xì)胞克隆是改良生物品種的經(jīng)典方法之一。它將普通品種卵母細(xì)胞的細(xì)胞核去除后，注入優(yōu)良品種的體細(xì)胞。這種方法的優(yōu)勢在于獲得的后代一定是優(yōu)良品種。然而，成功率極低，則成為體細(xì)胞克隆技術(shù)發(fā)展的瓶頸。針對上述問題，南開大學(xué)研究團(tuán)隊展開科研攻關(guān)，研制出具有可視化、微創(chuàng)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，利用該儀器實現(xiàn)了機(jī)器人化的細(xì)胞核移植流程。

據(jù)介紹，基于機(jī)器人微操作的體細(xì)胞克隆技術(shù)的關(guān)鍵難點在于，如何最大限度地減少對細(xì)胞的傷害。南開大學(xué)團(tuán)隊設(shè)計并實現(xiàn)了機(jī)器人化的細(xì)胞核移植流程，包括卵母細(xì)胞撥動尋找極體、抽核和體細(xì)胞注入三部分。

抽取細(xì)胞核更可控更溫柔

科研人員通過分析微操作工具與細(xì)胞接觸過程中的細(xì)胞受力情況，分別實現(xiàn)了基于最小力的細(xì)胞撥動與抽核，保證了細(xì)胞核移植操作過程中細(xì)胞受力最校“手動操作撥動細(xì)胞，細(xì)胞最大變形30至40微米，經(jīng)過計算后的機(jī)器人操作細(xì)胞最大變形降低至10到15微米。如果以往的力度是一記重拳，那么現(xiàn)在就是輕輕一推。”趙新介紹，該微操作系統(tǒng)采用基于平衡壓模型的操作，也讓抽取細(xì)胞核的過程更加“可控”“溫柔”。

實驗結(jié)果表明，基于最小力的細(xì)胞撥動方法顯著減少了對細(xì)胞的傷害;后續(xù)細(xì)胞培養(yǎng)表明，與人工操作相比，基于最小力的細(xì)胞抽核操作，細(xì)胞后續(xù)發(fā)育率顯著更高。

“最令人興奮的是，在體外實驗中我們采用這套微操作平臺對53個卵母細(xì)胞進(jìn)行核移植，其中11個重構(gòu)胚發(fā)育成為標(biāo)志著克隆成功的囊胚，發(fā)育率達(dá)到21%。而此前體細(xì)胞克隆的囊胚率始終維持在10%左右。”趙新說。

克隆豬讓技術(shù)“開花結(jié)果”

為了讓這項技術(shù)“開花結(jié)果”，南開大學(xué)科研團(tuán)隊將該核移植方法應(yīng)用于整個克隆豬流程，先后完成了數(shù)千例核移植操作，以此來驗證方法的有效性。今年1月初，分四批完成了510例核移植操作，并將這510枚克隆胚胎移植到6頭母豬體內(nèi)。最終，兩頭母豬順利受孕，并于4月26日、29日產(chǎn)下共計13頭健康的克隆豬。

“我們的研究第一次從細(xì)胞的發(fā)育角度指導(dǎo)微操作，通過細(xì)胞受力將微操作過程與細(xì)胞發(fā)育結(jié)果建立聯(lián)系。這套方法的推廣可進(jìn)一步提高微操作技術(shù)對整體生物過程的貢獻(xiàn)?？梢灶A(yù)見，在輔助生育、動植物品種改良以及大眾醫(yī)療、家畜生產(chǎn)等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。”趙新說。

據(jù)了解，該項目獲得國家重大科研儀器研制專項、“863”計劃先進(jìn)制造領(lǐng)域、天津市智能機(jī)器人重大科技專項支持。

人工智能是一門極富挑戰(zhàn)性的科學(xué)，從事這項工作的人必須懂得計算機(jī)知識，心理學(xué)和哲學(xué)。人工智能是包括十分廣泛的科學(xué)，它由不同的領(lǐng)域組成，如機(jī)器學(xué)習(xí)，計算機(jī)視覺等等，總的說來，人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。