Gener i verdensrommet: Elevers eksperimenter kan hjelpe mennesker til å reise i det store rommet


Studentene Aarthi Vijayakumar, Rebecca Li, Michelle Sung og David Li vant konkurransen i 2018, og prosjektet deres ble Genes in Space-6-eksperimentet. Studentteamets etterforskning skrev historie. For første gang i verdensrommet redigerte NASA-astronauter DNA ved hjelp av CRISPR/Cas9-teknologi mens de arbeidet med Genes in Space-6-undersøkelsen 23. mai 2019.

“Jeg husket når Kate Rubins ble den første til å sekvensere DNA i verdensrommet (i 2016), og deretter å finne ut at jeg skulle få gjøre en ny førsteplass i verdensrommet, var veldig spennende for meg,” sa NASA-astronaut Christina Koch, som jobbet med eksperimentet mens hun var på romstasjonen. “Jeg ble bare overrasket over det faktum at de var elever på videregående skole som satte sammen noe så komplisert som krevde slik dedikasjon og vitenskapelig dyktighet.”

Undersøkelsen ble designet for å analysere hvordan DNA-brudd repareres i rommiljøet.

Studentteamet utviklet sin tilnærming etter å ha erkjent at astronauter står overfor en økt risiko for kreft når de kommer tilbake til jorden etter langvarig romfart. Denne økte risikoen stammer fra DNA-skader som ikke er reparert riktig, har tidligere forskning antydet.

“Vi bestemte oss for å virkelig forstå hva som skjer med DNA-reparasjonsveier i verdensrommet,” sa Vijayakumar, nå junior ved Yale University som studerer molekylær biofysikk og biokjemi.

Når vi er på jorden, er DNA beskyttet mot skade av planetens atmosfære og magnetfelt. Når astronauter forlater jorden, er deres DNA i fare for å bli skadet. Hvis DNA-et reparerer seg selv feil, kan det oppstå mutasjoner.

Disse bankende hjertecellene dro til verdensrommet.  Slik kunne de redde pasienter

“Den doble trådbruddene som dette eksperimentet simulerte ved å bruke CRISPR er noe som skjer med astronauter på grunn av den galaktiske kosmiske strålestrålingskomponenten,” sa Koch. “Og det er noe som er veldig vanskelig å skjerme seg mot når du er ute i verdensrommet.”

Eksperimentet innebar bruk av CRISPR/Cas9 i gjærceller for å lage dobbelttrådsbrudd på et bestemt sted i gjærgenomet. Astronautene ventet på å la cellene reparere skaden de forårsaket. Deretter produserte teamet kopier av denne reparerte delen av DNA ved å bruke en teknikk kjent som polymerasekjedereaksjon, eller PCR, i et innebygd verktøy kalt miniPCR.

En egen enhet kalt MinION var i stand til å sekvensere det reparerte DNA-et i kopiene. Ved å sekvensere DNA’et, var astronautene i stand til å fastslå at det var riktig reparert – alt i fravær av tyngdekraften.

Hele eksperimentet fant sted i verdensrommet, uten krav om å returnere noen celler til jorden for videre analyse. Genes in Space-6-teamet ventet på en visuell markør som bekreftelse på at CRISPR har redigert cellene. Da astronautene plukket opp platen, observerte de en enkelt rød koloni, signalet teamet håpet å se.

Hvordan det er å delta i 'Space Club'  med astronauter og planetariske oppdagere

Studentteamet var i stand til å se astronautene gjennomføre eksperimentet i verdensrommet i sanntid. De fire studentene fikk også muligheten til å samarbeide med forskere om eksperimentet deres, i tillegg til å trekke sammen resultatene for publisering.

“Vi var i stand til å verifisere for første gang at CRISPR/Cas9 lykkes med å kutte i verdensrommet og etablere dette fantastiske genredigeringsverktøyet i verdensrommet for første gang,” sa Vijayakumar. “Det hjelper med å sette opp hele denne molekylærbiologiske verktøykassen og arbeidsflyten som senere kan brukes til å forhåpentligvis svare på våre originale spørsmål og så mange andre spørsmål.”

Christina Koch vises i arbeid med Genes In Space-6-eksperimentet på romstasjonen i 2019.
Resultatene av eksperimentet ble publisert i en studie i tidsskriftet PLOS EN i juni. Disse funnene kan gi en modell for fremtidig DNA-forskning som studerer cellereparasjon, samt bidra til å lette mottiltak eller potensielle farmasøytiske behandlinger. Det setter også opp potensialet for å muliggjøre ytterligere genomredigering i verdensrommet.

“Det er noe vi er veldig klar over som astronauter for både langvarige romflyvninger med lav bane rundt jorden, men også dypere romflyvninger som går til månen og Mars,” sa Koch.

“Vi setter grenser for strålingseksponeringen som en gitt astronaut har lov til å oppleve i løpet av sin romfartskarriere basert på vitenskapen om hva implikasjonene av denne strålingen er, så det er en stor del av dype romfartsoppdrag og forståelse av hvor lang tid vi kan ta disse oppdrag.”

Holde astronauter friske

Gjennom programmer som Genes in Space kan studentene dele sine tilnærminger og potensielle løsninger på risikoene og problemene astronauter kan møte i verdensrommet.

“Studenter kan se disse sammenhengene som du ikke ser når du er på en måte gjennomsyret av spesifikk vitenskapelig opplæring, så det er som en kontinuerlig inspirasjonskilde å se at vi ikke har utnyttet bassenget av ideer – det er fortsatt nye ideer,” sa Katy Martin, programleder for Genes in Space. “Selv om vi får hundrevis hvert år, ser vi alle slags fantastiske, uoppdagede ideer som vi aldri ville ha kommet på selv.”

Det har bodd mennesker på romstasjonen i 20 år

Kristoff Misquitta, nå førsteårsstudent ved Massachusetts Institute of Technology, vant 2020 Genes in Space-konkurransen med sitt eksperiment designet for å forstå hvordan lever fungerer i verdensrommet. 2020-konkurransen var helt virtuell for første gang på grunn av pandemien.

“Vi prøver å utvikle en kraftig og effektiv arbeidsflyt for å forstå leverens tilstand i verdensrommet, og for å bruke det som grunnlag for å forstå noen av problemene rundt måten astronauter tar medisiner på for tiden og for å avhjelpe problemer vi finner.” sa Misquitta.

“Forhåpentligvis kan vi bruke dette som en plattform for en dag å utvikle mer avanserte og forskjellige typer medisiner.”

Kristoff Misquitta (i midten) er avbildet med sine mentorer, Bess Miller (til venstre) og Kate Malecek ved lanseringen av eksperimentet hans i verdensrommet 10. august 2020.

Misquittas undersøkelse tester også ut ny bioteknologi på romstasjonen kalt Genes in Space fluorescence viewer.

“Det lar deg i utgangspunktet visualisere fluorescensen generert av organiske molekyler, og vi håper å bruke det i fremtiden som en plattform for rask diagnostikk og andre undersøkelser, så det er et fremtidsrettet eksperiment som setter opp for mange spennende tester i fremtiden,” sa han.

Medisiner kan brukes som mottiltak for å bekjempe helseproblemer astronauter møter under langvarig romfart, men mangelen på tyngdekraften eller økningen i stråling i verdensrommet kan faktisk endre måten menneskekroppen bryter ned medisin på. Dette kan bety at dosene må endres slik at de er tryggere og mer effektive.

Lite er kjent om leverfunksjonen i verdensrommet, men tidligere forskning har vist at den skiller seg fra når vi er på jorden.

De 'mektige musene'  som dro til verdensrommet kunne bidra til å beskytte astronauter'  muskler og bein

Proteiner i medisiner for levernedbrytning, så å forstå hvordan leveren fungerer og måten denne nedbrytningen skjer i rommet kan bare være begynnelsen. Medisiner kan bli enda viktigere ettersom astronautmannskaper tar på seg dype romfart der kommunikasjonen blir stadig mer forsinket mellom romfartøyet deres og jorden.

“Omtrent én av fem ganger på 79 skytteloppdrag vet vi at disse medisinene ikke hadde en tendens til å virke perfekt effektivt,” sa Misquitta. “Vi ser etter å ta tak i de sjeldne tilfellene når de ikke fungerer i det hele tatt.”

NASA astronaut Megan McArthur utfører for tiden Misquittas etterforskning på romstasjonen. Eksperimentet involverer isolert genetisk materiale fra leveren til mus, hvorav noen har fått acetaminophen og andre som ikke har fått det. Teamet vil se for å se om effekten av stoffet er synlig på DNA-nivå mens de er på romstasjonen.

«Å vite nå at jeg etter så mange år får ha en del av arbeidet mitt, og å ha en arv på den internasjonale romstasjonen, slår meg fortsatt i ro, og det gjør meg så glad og optimistisk for andre studenter som virkelig ønsker å bidra til romfart i vår fremtid blant stjernene,” sa Misquitta.

Misquitta håper at forskning som dette kan bidra til et sikkerhetsnett for astronauter der de har tilpassede medisiner som de kan stole på.

“Alle våre vinnere er ansvarlige for gradvis å presse konvolutten med tanke på hvilken type bioteknologi vi har tilgjengelig for oss å bruke i verdensrommet i øyeblikket,” sa Martin. “Visjonen vi jobber mot er å lage mindre, mer bærbart, mer fleksibelt laboratorieutstyr med lavere vedlikehold som kan tas med til månen og Mars.”

En lys fremtid

Omtrent 90 % av Genes in Space-deltakerne har lært om konkurransen fra lærerne sine. Programmet har etablert Lab in a Boxhvor lærere kan låne et verktøysett som inneholder noe av det samme utstyret astronauter bruker for å utføre eksperimentene på romstasjonen.
NASA-SpaceX-oppskytninger vil øke vitenskapelig forskning på romstasjonen

“Gener i verdensrommet gir studentene denne selvtilliten til å si:” Jeg har en idé som faktisk kan skje på denne store skalaen, ” sa Vijayakumar.

Astronauter ser på disse eksperimentene, så vel som deltakelsen fra studentene som designer dem, som uvurderlige.

“Mangfold av bakgrunner, mangfold av tanker og å ha en frisk gruppe til å se på ting med nye øyne er så viktig for å komme opp med løsninger på de tøffe problemene og utfordringene som er der ute,” sa Koch. “En av de viktige aspektene ved romstasjonen er å sørge for at studentene vet alle de fantastiske tingene du kan gjøre med en STEM-grad for å sikre at vi holder den innovative ånden i live.”

Genes in Space er finansiert og drevet av Boeing og miniPCR biomed tilleggsstøtte fra ISS National Lab og New England Biolabs.