Эксперимент на МКС расширяет инструментарий для исследования ДНК с помощью CRISPR
Изучение репарации (починки) ДНК критически важно для будущих космических полетов, поскольку в космосе человек подвергается риску повреждения ДНК из-за радиации. Условия микрогравитации также могут влиять на то, как организм чинит такие повреждения, потенциально усугубляя риск.
Благодаря работе четырех студентов и команды исследователей, а также первому использованию техники редактирования генома CRISPR в космосе, недавний эксперимент на борту Международной космической станции успешно создал разрывы в ДНК обычных дрожжей, направил способ их починки и просеквенировал восстановленную ДНК, чтобы определить, вернулась ли она к исходной последовательности. Исследователи проекта Genes in Space-6 сообщили о первом в истории завершении всего этого процесса в космосе в статье, опубликованной в PLOS ONE.
Эти результаты значительно расширяют молекулярно-биологический инструментарий на МКС, позволяя изучать репарацию ДНК и проводить множество других биологических исследований в условиях микрогравитации.
Организм чинит двунитевые разрывы ДНК — когда разрываются обе переплетенные нити двойной спирали — одним из двух основных способов. При одном способе основания могут добавляться или удаляться. Другой способ воссоединяет нити без изменения последовательности ДНК. Технические и соображения безопасности до сих пор препятствовали изучению этих процессов на станции.
Genes in Space-6 был задуман четырьмя студентами из Миннесоты: Аарти Виджаякумар, Мишель Санг, Ребеккой Ли и Дэвидом Ли. Они получили возможность участвовать в этом исследовании в рамках программы Genes in Space — национального конкурса для учеников 7–12 классов, которые должны разработать эксперименты по анализу ДНК с использованием лаборатории ISS U.S. National Lab и инструментов на станции. Команда также является соавторами статьи с результатами.
Чтобы создавать разрывы ДНК в определенных местах, команда использовала технику редактирования генома CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). Это короткие повторяющиеся последовательности ДНК в бактериях, между которыми находятся последовательности вирусной ДНК. Бактерии транскрибируют вирусные последовательности в РНК, которая затем направляет специфический белок к вирусной ДНК и разрезает ее. Ученые использовали этот естественный иммунный ответ для создания техники.
Использование CRISPR позволило исследователям создавать точно контролируемые разрывы в известном участке генома, исключая риски от случайных повреждений. Это заложило основу для изучения репарации ДНК непосредственно в космосе и позволило получить представление о том, какой механизм починки используется.
«Понимание того, является ли один тип репарации менее подверженным ошибкам, имеет важные последствия», — говорит Сара Уоллес, микробиолог из Отдела биомедицинских исследований и наук об окружающей среде в Космическом центре NASA имени Джонсона в Хьюстоне. — «Можно ли разработать терапию, чтобы стимулировать один путь, а не другой? Или нам нужно больше радиационной защиты? Или и то, и другое? Важно получить это понимание, чтобы помочь обеспечить защиту экипажа и наилучшим образом помочь ему восстановиться».
Выполнение всего процесса в космосе — а не создание разрыва на Земле с последующей заморозкой образца и отправкой его на орбиту для починки — позволяет определить влияние именно условий космического полета на этот процесс.
Программа Genes in Space и другие исследования ДНК на станции также привели к прогрессу в необходимом оборудовании. Инструменты с Земли не всегда подходят для космоса, говорит Сара Роммель, ведущий автор статьи и исследователь из Микробиологической лаборатории в центре Джонсона. «Мы не можем взять то, что есть на Земле, и просто отправить это в космос, потому что мы должны обеспечить безопасность экипажа и всех систем жизнеобеспечения на борту. Например, мы создали собственные наборы для всего процесса, думая о том, как использовать минимум самых безопасных материалов и при этом получить наилучший научный результат».
«Хотя необходима дополнительная работа, чтобы понять возможные предпочтения в использовании тех или иных процессов репарации ДНК в космосе, эта работа продемонстрировала сложность того, что можно сделать с молекулярными инструментами на борту», — добавляет Уоллес. — «Наличие целой молекулярной лаборатории в космосе просто взорвет возможности того, что мы можем там делать, включая более сложные исследования, такие как эта работа с CRISPR. Мы также изучаем, как применить эти методы в других условиях, например, в больничных палатах. Возможность получать данные почти в реальном времени может принести огромную пользу в борьбе с кризисом антимикробной резистентности и в условиях с ограниченными ресурсами».
Поскольку результаты подтвердили, что исследователи теперь могут точно редактировать ген в космосе, Роммель и Уоллес надеются, что другие ученые начнут использовать этот инструмент. «Мы подтвердили, что это не слишком сложно делать в космосе, — говорит Роммель. — Это сработало, как и было задумано, и сделало то, что должно было сделать».