La miniPCR viene utilizzata per una serie di indagini genetiche per aiutare gli astronauti ad amplificare rapidamente, o fare copie di, una singola sequenza di DNA. Credito:NASA
Cosa fanno gli astronauti, microbi, e le piante hanno tutte in comune? Ciascuno si basa sull'acido desossiribonucleico (DNA) - essenzialmente un codice informatico per gli esseri viventi - per crescere e prosperare.
Lo studio del DNA nello spazio potrebbe portare a una migliore comprensione dell'impatto della microgravità sugli organismi viventi e potrebbe anche offrire modi per identificare microbi sconosciuti nei veicoli spaziali, umani e i luoghi dello spazio profondo che cerchiamo di visitare. La dimensione microscopica del DNA, però, può creare alcune grandi sfide per studiarlo a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
La maggior parte delle apparecchiature di ricerca molecolare terrestre è di grandi dimensioni e richiede notevoli quantità di energia per funzionare. Queste sono due caratteristiche che possono essere difficili da supportare a bordo del laboratorio orbitante, quindi i campioni di ricerca precedenti che richiedevano l'amplificazione e il sequenziamento del DNA dovevano essere conservati nello spazio fino a quando non potevano essere rispediti sulla Terra a bordo di un'astronave cargo, aggiungendo al tempo necessario per ottenere risultati.
Però, tutto ciò è cambiato in pochi anni poiché la NASA ha lavorato per trovare nuove soluzioni per test molecolari rapidi in volo a bordo della stazione spaziale.
"Abbiamo bisogno [ndr] di rendere le macchine compatte, portatile, robusto, e indipendente da molta produzione di energia per consentire test più agili nello spazio, "L'astronauta della NASA e biologa molecolare Kate Rubins ha detto in un downlink del 2016 con il National Institutes of Health.
L'astronauta della NASA Ricky Arnold prepara la miniPCR per Genes in Space-5, uno studente ha progettato un'indagine studiando le alterazioni nel DNA che possono portare a un'immunità indebolita. Credito:NASA
Il risultato? Una suite avanzata di strumenti da tavolo e palmari tra cui MinION, miniPCR, e Wet-Lab-2, e più strumenti e processi all'orizzonte.
Il test del DNA spaziale è decollato nel 2016 con il sequenziatore di biomolecole. Composto dal sequencer MinION e da un tablet Surface Pro 3 per l'analisi, lo strumento è stato utilizzato per sequenziare il DNA nello spazio per la prima volta con Rubins al timone.
Nel 2017, quello strumento è stato usato di nuovo per Genes in Space-3, mentre l'astronauta della NASA Peggy Whitson raccoglieva e testava campioni di crescita microbica intorno alla stazione. Accanto a MinION, gli astronauti hanno anche testato la miniPCR, un termociclatore utilizzato per eseguire la reazione a catena della polimerasi. Insieme, queste piattaforme hanno fornito per la prima volta l'identificazione di microbi sconosciuti della stazione dallo spazio.
L'astronauta Kate Rubins che lavora con Wet Lab-2, uno strumento per l'analisi quantitativa dell'espressione genica destinato a ulteriori test quest'anno. Credito:NASA
Quest'anno, quelle capacità di test si sono tradotte in un portafoglio ancora più forte di ricerca incentrata sul DNA per il programma scientifico frenetico del laboratorio orbitante. Per esempio, miniPCR viene utilizzato per testare sistemi immunitari indeboliti e alterazioni del DNA come parte di un'indagine progettata da studenti nota come Geni nello spazio-5. Lo studio spera di rivelare di più sulla salute degli astronauti e sui potenziali cambiamenti legati allo stress al DNA creati dal volo spaziale. Inoltre, La struttura WetLab-2 è una suite di strumenti a bordo della stazione progettata per elaborare campioni biologici per l'analisi dell'espressione genica in tempo reale. Altri strumenti per completare le opportunità complete di studi molecolari sul laboratorio orbitante verranno presto nello spazio.
"La mini rivoluzione è iniziata, "ha detto Sarah Wallace, Investigatore principale della NASA per l'imminente indagine sulla tecnologia di estrazione e sequenziamento delle biomolecole (BEST). "Questi sono molto piccoli, strumenti efficienti. Abbiamo un laboratorio molecolare ben attrezzato sulla stazione e dispositivi di dimensioni ideali per il volo spaziale".
BEST confronterà i test da tampone a sequenziatore di microbi sconosciuti a bordo della stazione spaziale con gli attuali metodi basati sulla coltura.
"Vediamo cambiamenti nell'espressione genica in risposta al volo spaziale per ogni essere vivente in cui l'abbiamo cercato, " ha detto Wallace. "Lo studio di questi cambiamenti è fondamentale per comprendere gli adattamenti al volo spaziale e fornisce anche il potenziale per scoprire nuove risposte che potrebbero portare a trattamenti sanitari alternativi sulla Terra".
Mentre il rifornimento e il supporto a terra sono disponibili per gli astronauti a bordo della stazione spaziale, le missioni oltre l'orbita terrestre bassa richiederanno agli equipaggi di fare affidamento su questi nuovi, tecnologie salvaspazio per monitorare la loro salute nel tempo e per monitorare i potenziali rischi per la salute che vivono al loro fianco. Veloce, processi di sequenziamento e identificazione affidabili potrebbero mantenere gli esploratori più al sicuro durante le missioni nello spazio profondo. Sulla terra, queste tecnologie possono rendere più accessibile la ricerca genetica, conveniente e mobile.
