Stacja naukowa 101: Badanie DNA w przestrzeni kosmicznej
Długoterminowa eksploracja kosmosu naraża ludzi na promieniowanie, które może uszkodzić kwas dezoksyrybonukleinowy lub DNA, który przenosi informacje genetyczne dla naszego rozwoju i funkcjonowania. Warunki panujące w przestrzeni kosmicznej wpływają również na sposób, w jaki organizm naprawia takie uszkodzenia, potencjalnie zwiększając ryzyko. Badania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej badają uszkodzenia i naprawy DNA przy użyciu narzędzi i technik do sekwencjonowania, analizy, a nawet edycji DNA.
Te narzędzia i techniki zostały opracowane specjalnie do użytku w kosmosie, który ma wyjątkowe względy bezpieczeństwa i gdzie istnieją ograniczenia dotyczące wielkości i wagi sprzętu. Ta specjalizacja umożliwiła tego typu badania i zaowocowała znaczącymi kamieniami milowymi w badaniach DNA.
W kwietniu 2016 r. astronauta ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) Tim Peake po raz pierwszy amplifikował DNA przy użyciu pierwszego urządzenia do reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR) wysłanego na stację, zwanego miniPCR.1 Ważny krok w procesie analizy materiału genetycznego, amplifikacja polega na tworzeniu wielu kopii segmentu DNA. Astronautka NASA Kate Rubin po raz pierwszy sekwencjonowała DNA w kosmosie w sierpniu 2016 roku przy użyciu komercyjnego urządzenia o nazwie MinION.2 W sierpniu 2017 roku astronautka NASA Peggy Whitson połączyła miniPCR i MinION, aby zidentyfikować pierwszego nieznanego mikroba ze stacji, walidując proces, który może umożliwić identyfikację drobnoustrojów podczas lotu i diagnozowanie chorób zakaźnych podczas przyszłych misji.3 W sierpniu 2018 r. astronauta NASA Ricky Arnold po raz pierwszy zastosował metodę sekwencjonowania DNA "wymaz do sekwenatora", która eliminuje potrzebę hodowli bakterii przed analizą.4
Kolejnym kamieniem milowym, osiągniętym w maju 2019 r., była pierwsza edycja genów CRISPR na stacji, przeprowadzona przez astronautkę NASA Christinę Koch.5 CRISPR to skrót od Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Są to krótkie, powtarzające się sekwencje DNA odnotowane u bakterii z wirusowymi sekwencjami DNA pomiędzy nimi. Bakterie transkrybują wirusowe sekwencje DNA na RNA, które następnie kieruje określone białko do wirusowego DNA i przecina je, tworząc linię obrony przed atakującymi wirusami. Naukowcy mogą stworzyć RNA-przewodnika, który będzie specyficzny dla dowolnej części genomu. Oznacza to, że CRISPR może być używany do tworzenia precyzyjnych przerw w znanej lokalizacji genu, co skutkuje uproszczoną edycją genów.
Program o nazwie Genes in Space wykorzystał te postępy w wielu badaniach. W ramach współpracy Boeinga i miniPCR bio sponsorowanej przez ISS National Lab i New England Biolabs, program ten jest krajowym konkursem, w którym uczniowie klas od 7 do 12 projektują eksperymenty analizy DNA dla stacji kosmicznej.
Geny w kosmosie-6 wykorzystały CRISPR do pomyślnego wygenerowania pęknięć w DNA zwykłych drożdży, umożliwienia naprawy pęknięć i sekwencjonowania załatanego DNA w celu ustalenia, czy jego pierwotny porządek został przywrócony, a wszystko to podczas lotu kosmicznego.5 Przeprowadzenie całego procesu w przestrzeni kosmicznej - zamiast powodowania pęknięcia, zamrażania próbki i wysyłania jej w kosmos w celu naprawy - zapewniło naukowcom wgląd w rodzaj używanego mechanizmu naprawczego. Organizmy naprawiają pęknięcia DNA na jeden z dwóch głównych sposobów. Jedna metoda może dodawać lub usuwać zasady, podczas gdy druga ponownie łączy nici bez zmiany sekwencji DNA. Zrozumienie, czy jeden rodzaj naprawy jest mniej podatny na błędy, ma ważne implikacje dla ochrony członków załogi.
Geny w Space-5 stanowiły ważny krok w kierunku szybkiego, bezpiecznego i opłacalnego sposobu badania układu odpornościowego podczas lotów kosmicznych. Badanie to dostarczyło również dowodu koncepcji jednoczesnej amplifikacji wielu sekwencji DNA w przestrzeni kosmicznej, rozszerzając możliwości badań podczas lotu i monitorowania stanu zdrowia.
Geny w kosmosie-10 zweryfikowały metodę pomiaru i analizy długości fragmentów DNA znanych jako telomery przy użyciu fluorescencji. Telomery, przypominające czapeczki struktury genetyczne na końcu chromosomów, które chronią je przed uszkodzeniem, skracają się wraz z wiekiem, ale stwierdzono, że wydłużają się w przestrzeni kosmicznej. Analiza długości telomerów może pomóc w określeniu mechanizmu stojącego za tym efektem. Wyniki badania mogą również zapewnić sposób pomiaru DNA i diagnozowania genetycznych problemów medycznych podczas lotów kosmicznych. Wysyłanie próbek DNA z powrotem na Ziemię do analizy może spowodować ich degradację i nie jest możliwe w przypadku przyszłych misji o długim czasie trwania. Wgląd w to, dlaczego telomery wydłużają się w przestrzeni kosmicznej, może również prowadzić do lepszego zrozumienia ich roli w starzeniu się ludzi.
Posiadanie całego laboratorium molekularnego w kosmosie znacznie zwiększa możliwości naukowców. Możliwość analizowania DNA, badania, w jaki sposób jest ono uszkadzane i naprawiane w kosmosie, a także wprowadzania w nim określonych zmian, umożliwia prowadzenie bardziej złożonych badań. Identyfikacja nieznanych organizmów i zmian w znanych jest kluczem do zapewnienia bezpieczeństwa członkom załogi podczas przyszłych misji.
Melissa GaskillInternational Space Station Program Science OfficeJohnson Space Center
Przeszukaj tę bazę danych eksperymentów naukowych, aby dowiedzieć się więcej o tych wymienionych powyżej.
Cytaty
1 Boguraev, A. S. et al. Successful amplification of DNA aboard the International Space Station. NPJ Microgravity 3, 26, doi:10.1038/s41526-017-0033-9 (2017).
2 Castro-Wallace, S. L. et al. Nanopore DNA Sequencing and Genome Assembly on the International Space Station. Sci Rep 7, 18022, doi:10.1038/s41598-017-18364-0 (2017).
3 Burton, A. S. et al. Off Earth Identification of Bacterial Populations Using 16S rDNA Nanopore Sequencing. Genes (Basel) 11, doi:10.3390/genes11010076 (2020).
4 Stahl-Rommel, S. et al. Real-Time Culture-Independent Microbial Profiling Onboard the International Space Station Using Nanopore Sequencing. Genes (Basel) 12, doi:10.3390/genes12010106 (2021).
5 Stahl-Rommel, S. et al. A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station. PloS one 16, e0253403, doi:10.1371/journal.pone.0253403 (2021).
>Dziękujemy, że przeczytałaś/eś artykuł! Obserwuj nas w Wiadomościach Google.
