机器人微操作将体细胞克隆成功率提高一倍

世界首批由机器人“操刀”的克隆猪诞生

机器人正在操刀细胞核的抽取和注入，这是克隆猪的关键步骤。

现在连机器人都学会了克隆技术。近日，全球首例由机器人操刀的克隆猪在天津诞生，这一批成活的13头小猪均由猪的体细胞克隆而成，个个都是精挑细选的优良品种。

这项研究来自南开大学机器人所赵新教授领导的跨学科研究团队。2002年，南开大学机器人所研发出“面向生物医学工程的微操作机器人系统”，获国家技术发明二等奖。时隔15年，在天津市畜牧兽医研究所的支持下，微操作机器人系统再次取得重大突破，在世界上第一次成功实现机器人操刀克隆猪。

“克隆”这个词风靡全球，不得不感谢21年前一只名叫多莉的绵羊。1996年她登上《自然》杂志，成为全世界最著名的小绵羊，让人类第一次见到活生生的哺乳动物被成功克隆出来。随后，全世界掀起了一股“克隆热”，不断有人宣告克隆牛、克隆猪，甚至克隆猫的成功，当然，也引发了各种各样的争议和思考。

如今，体细胞克隆已经成为改良生物品种的经典方法之一，克隆出的后代与体细胞供体的基因完全一样，也就是说，和父母一样品质优良。

克隆猪的过程非常复杂，成功率非常低。如果用最简单的话来描述这个艰巨的工程，大致可分三步：首先取得一个优良品种的体细胞和一个普通母猪的卵母细胞，第二步将卵母细胞核去除并注入优良品种的体细胞核，第三步注入代孕母猪体内直至产下幼仔。

机器人做的是第二步，也是最为复杂的关键步骤。赵新介绍，无论是人工操作，还是机器人微操作，体细胞克隆技术的关键难点在于，如何最大限度地减少对细胞的伤害。

在整个过程中，细胞核的抽取和注入，是难度最大的环节。“以往人工在显微镜下操作，需要反复调节目镜的位置，同时凭借个人多年的经验和技术，完成细胞核的‘取’和‘放’。”赵新说，人工操作毕竟存在稳定性不强、技术人员水平有差异等问题，“机器人在这些方面有很大优势。”

南开大学研究团队研制出具有可视化、微创化、定点化、定量化功能，集检测分析与操作于一体的原位显微分析与操作仪，这就是操刀克隆猪的机器人，在它的帮助下实现了机器人化的细胞核移植的自动化流程，包括卵母细胞拨动寻找极体、抽核和体细胞注入三部分。

机器人要给一个直径只有几微米的细胞做个大“手术”，只需1分钟，甚至比人类更加“温柔”。在如此微观的世界里，要保证精度是件很困难的事，“不仅仅是尺寸上的精度，更重要的是如何让力度恰到好处。”赵新形象地打了个比方，如果以往人类的力度是“一记重拳”，那么现在机器人可以做到“轻轻一推”。在计算机的控制下，机器人采用基于平衡压模型的操作，可以精确地保证抽取细胞核的过程更加可控，“力气不大也不小”。

通过分析“机器手”与细胞接触过程中的细胞受力情况，如今机器人已经能够实现最小力的细胞拨动与抽核，保证了细胞核移植操作过程中细胞受力最小。“手动操作拨动细胞，细胞最大变形30至40微米，经过计算后的机器人操作细胞最大变形降低至10到15微米。”

实验结果证明了机器人在这方面确实更加胜任，后续细胞培养表明，与人工操作相比，基于最小力的细胞抽核操作，细胞后续发育率显著更高。

数据是更加有力的证明。在体外实验中，赵新团队采用这套微操作平台对53个卵母细胞进行核移植，其中11个重构胚发育成为囊胚，这是克隆成功的标志，发育率达到21%，“此前体细胞克隆的囊胚率始终维持在10%左右。”

为了让这项技术“开花结果”，南开大学科研团队将该核移植方法应用于整个克隆猪流程，先后完成了数千例核移植操作来验证方法的有效性。2017年1月初，分四批完成了510例核移植操作，并将这510枚克隆胚胎移植到6头母猪体内。最终，两头母猪顺利受孕，并分别产下7只和6只健康的克隆猪。

这几天，这些由机器人自动化“操刀”成功克隆出的小猪， 拿到了“亲子鉴定”报告，结果显示，13头克隆小猪与“代孕”母亲无血缘关系，仅与供体细胞存在“亲子关系”。

作为最复杂的微操作之一，体细胞克隆技术向前发展必然要遇到如何实现产业化的问题，那么机器人在整个过程中显得尤为重要，“通过机器人化体细胞核移植操作，提高后续细胞培养成功率，进而提高整个体细胞克隆技术的成功率。”

目前，该项目获得国家重大科研仪器研制专项、“863”计划先进制造领域、天津市智能机器人重大科技专项支持。

“我们的研究第一次从细胞的发育角度指导微操作，通过细胞受力将微操作过程与细胞发育结果建立联系。”赵新说，这套方法的推广可进一步提高微操作技术对整体生物过程的贡献。可以预见，在辅助生育、动植物品种改良以及大众医疗、家畜生产等领域具有很好的应用前景。

克隆技术给了人类更广阔的想象空间和无限的可能性，在全世界范围内关于技术与伦理的争论也一直在进行。“关于克隆的研究永无止境。”赵新说，“人类对于世界，未知永远比已知更多。”(胡春艳)

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