International Space Station-eksperiment udvider DNA-forskningsværktøjet ved hjælp af CRISPR

At studere DNA-reparation er nøglen til fremtidig rumudforskning, som kan udsætte mennesker for risiko for DNA-skader forårsaget af stråling. Forholdene i rummet kan også påvirke den måde, kroppen reparerer sådanne skader på, potentielt forværre denne risiko.

Takket være arbejdet fra fire elever, et team af forskere, og den første brug i rummet af CRISPR-genomredigeringsteknikken, en nylig undersøgelse ombord på den Internationale Rumstation genererede succesfuldt brud i DNA’et fra en almindelig gær, instruerede reparationsmetoden, og sekventerede det lappede DNA for at bestemme, om dets oprindelige rækkefølge blev genoprettet. The Genes in Space-6-forskerne rapporterede denne første afslutning af hele processen i rummet i et papir offentliggjort i PLOS ET .

Disse resultater udvider rumstationens molekylærbiologiske værktøjskasse markant, muliggør undersøgelser af DNA-reparation og en række andre biologiske undersøgelser i mikrogravitation.

Kroppen reparerer dobbeltstrengsbrud i DNA - adskillelse af begge de sammenflettede strenge i dobbelthelixen - en af ​​to hovedveje. I en metode, baser kan tilføjes eller slettes. Den anden metode forbinder strengene igen uden at ændre DNA-sekvensen. Tekniske og sikkerhedsmæssige bekymringer havde forhindret undersøgelse af disse reparationsprocesser ombord på rumstationen indtil nu.

Genes in Space-6 var udtænkt af fire studerende fra Minnesota:Aarthi Vijayakumar, Michelle Sung, Rebecca Li, og David Li. De fik muligheden for at deltage i denne forskning som en del af Genes in Space-programmet, en national konkurrence, der udfordrer elever i klasse 7 til 12 til at designe DNA-analyseeksperimenter ved hjælp af ISS U.S. National Lab og værktøjer ombord på stationen. Holdet er også medforfattere på resultatpapiret.

For at generere DNA-brud på bestemte steder, holdet brugte en genomredigeringsteknik kaldet CRISPR, som står for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Disse er korte, gentagne sekvenser af DNA i bakterier med virale DNA-sekvenser imellem dem. Bakterier transskriberer de virale DNA-sekvenser til RNA, som derefter leder et specifikt protein til det virale DNA og skærer det. Forskere udnyttede denne naturligt forekommende immunrespons til at skabe teknikken.

Ved at bruge CRISPR, forskerne kan skabe præcist kontrollerede brud på en kendt placering af genomet, eliminering af mulige risici fra tilfældig skade. Det lagde grunden til at tillade DNA-reparation at finde sted i rummet, giver mulighed for at få indsigt i den anvendte type reparationsmekanisme.

"At forstå, om en type reparation er mindre udsat for fejl, har vigtige konsekvenser, " siger Sarah Wallace, en mikrobiolog i afdelingen for biomedicinsk forskning og miljøvidenskab ved NASAs Johnson Space Center i Houston. "Kunne et terapeutisk middel udvikles til at fremme den ene vej frem for den anden, eller har vi brug for mere strålingsafskærmning, eller begge? Det er vigtigt at opnå denne forståelse for at sikre, at vi beskytter besætningen og hjælper dem med at komme sig på den bedst mulige måde."

At udføre hele processen i rummet - i stedet for at forårsage en pause, at fryse prøven og sende den ud i rummet for at reparere — gør det muligt at bestemme virkningerne af rumflyvningsforhold, og kun rumflyvningsforhold, på processen.

Gener in Space og anden DNA-relateret forskning på rumstationen har også frembragt fremskridt inden for den nødvendige hardware. Værktøjer på Jorden egner sig ikke nødvendigvis til rumflyvning, siger Sarah Rommel, papirets primære forfatter og en forsker i Microbiology Laboratory ved Johnson. "Vi kan ikke tage præcis, hvad vi har på Jorden og blot sætte det i rummet, fordi vi skal holde besætningen og alle de miljømæssige livssystemer om bord sikre. For eksempel, vi lavede vores egne tilpassede sæt til hele processen, ser på, hvordan man bruger den mindste mængde af de sikreste materialer og stadig får den bedste videnskab."

"Mens der er behov for mere arbejde for at forstå potentielle præferencer for DNA-reparationsprocesser, der bruges i rummet, dette arbejde demonstrerede det sofistikerede i, hvad der kan gøres med de molekylære værktøjer ombord, " tilføjer Wallace. "At have et helt molekylært laboratorium i rummet vil bare eksplodere, hvad vi kan gøre der, herunder mere komplekse undersøgelser som dette CRISPR-arbejde. Vi ser også på, hvordan man kan sætte disse metoder ind i andre indstillinger, såsom hospitalsstuer. Evnen til at generere nær-realtidsdata kan give en enorm fordel i håndteringen af ​​krisen med antimikrobiel resistens og i ressourcebegrænsede miljøer."

Med resultaterne bekræfter, at forskere nu præcist kan redigere et gen i rummet, Rommel og Wallace håber, at andre forskere begynder at bruge dette værktøj. "Vi bekræftede, at det ikke er for kompliceret at gøre i rummet, " siger Rommel. "Det virkede efter hensigten, og den gjorde, hvad den skulle."