L'astronauta della NASA Christina Koch lavora sull'indagine Genes in Space-6, che ha sviluppato un sistema per generare e riparare le rotture del DNA a doppio filamento in un lievito e sequenziare il DNA per determinare se la riparazione ha ripristinato il suo ordine originale o ha commesso errori. Credito:NASA
Lo studio della riparazione del DNA è la chiave per la futura esplorazione dello spazio, che potrebbero esporre gli esseri umani al rischio di danni al DNA causati dalle radiazioni. Le condizioni nello spazio potrebbero anche influenzare il modo in cui il corpo ripara tali danni, potenzialmente aggravando tale rischio.
Grazie al lavoro di quattro studenti, un team di ricercatori, e il primo utilizzo nello spazio della tecnica di editing del genoma CRISPR, una recente indagine a bordo della Stazione Spaziale Internazionale ha generato con successo rotture nel DNA di un lievito comune, ha diretto il metodo di riparazione, e sequenziato il DNA rattoppato per determinare se il suo ordine originale è stato ripristinato. I ricercatori Genes in Space-6 hanno riportato questo primo completamento dell'intero processo nello spazio in un articolo pubblicato su PLOS UNO .
Questi risultati ampliano significativamente il kit di strumenti di biologia molecolare della stazione spaziale, consentendo studi sulla riparazione del DNA e una varietà di altre indagini biologiche in microgravità.
Il corpo ripara le rotture del doppio filamento nel DNA, la recisione di entrambi i filamenti intrecciati della doppia elica, uno dei due modi principali. In un metodo, le basi possono essere aggiunte o eliminate. L'altro metodo ricongiunge i filamenti senza modificare la sequenza del DNA. Finora preoccupazioni tecniche e di sicurezza avevano impedito lo studio di questi processi di riparazione a bordo della stazione spaziale.
Genes in Space-6 è nato da un'idea di quattro studenti del Minnesota:Aarthi Vijayakumar, Michele Cantato, Rebecca Li, e David Li. Hanno guadagnato l'opportunità di partecipare a questa ricerca come parte del programma Genes in Space, un concorso nazionale che sfida gli studenti dalle classi 7 a 12 a progettare esperimenti di analisi del DNA utilizzando l'ISS U.S. National Lab e gli strumenti a bordo della stazione. Il team è anche coautore del documento sui risultati.
Per generare rotture del DNA in posizioni specifiche, il team ha utilizzato una tecnica di modifica del genoma chiamata CRISPR, che sta per Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Questi sono brevi, sequenze ripetute di DNA nei batteri con sequenze di DNA virale tra di loro. I batteri trascrivono le sequenze di DNA virale in RNA, che poi guida una specifica proteina al DNA virale e lo taglia. Gli scienziati hanno sfruttato questa risposta immunitaria naturale per creare la tecnica.
L'astronauta della Canadian Space Agency (CSA) David Saint-Jacques viene mostrato durante la preparazione per l'analisi per l'indagine Genes in Space-6. Credito:NASA
Utilizzando CRISPR, i ricercatori possono creare interruzioni controllate con precisione in una posizione nota del genoma, eliminando possibili rischi da danni casuali. Ciò ha posto le basi per consentire la riparazione del DNA nello spazio, fornendo l'opportunità di ottenere informazioni sul tipo di meccanismo di riparazione utilizzato.
"Capire se un tipo di riparazione è meno soggetto a errori ha importanti implicazioni, "dice Sarah Wallace, un microbiologo nella divisione di ricerca biomedica e scienze ambientali presso il Johnson Space Center della NASA a Houston. "Si potrebbe sviluppare una terapia per incoraggiare un percorso rispetto all'altro, o abbiamo bisogno di più schermatura contro le radiazioni, o entrambi? È importante acquisire questa comprensione per garantire che stiamo proteggendo l'equipaggio e aiutandolo a riprendersi nel miglior modo possibile".
Eseguendo l'intero processo nello spazio, piuttosto che causare una pausa, congelando il campione e inviandolo nello spazio per la riparazione, consente di determinare gli effetti delle condizioni di volo spaziale, e solo condizioni di volo spaziale, sul processo.
Anche Genes in Space e altre ricerche relative al DNA sulla stazione spaziale hanno prodotto progressi nell'hardware necessario. Gli strumenti sulla Terra non si prestano necessariamente al volo spaziale, dice Sarah Rommel, l'autore principale dell'articolo e ricercatore presso il Laboratorio di microbiologia di Johnson. "Non possiamo prendere esattamente quello che abbiamo sulla Terra e semplicemente metterlo nello spazio, perché dobbiamo tenere al sicuro l'equipaggio e tutti i sistemi di vita ambientale a bordo. Per esempio, abbiamo realizzato i nostri kit personalizzati per l'intero processo, cercando di utilizzare la minor quantità dei materiali più sicuri e ottenere comunque la migliore scienza".
"Mentre è necessario più lavoro per comprendere le potenziali preferenze verso i processi di riparazione del DNA utilizzati nello spazio, questo lavoro ha dimostrato la raffinatezza di ciò che può essere fatto con gli strumenti molecolari a bordo, " aggiunge Wallace. "Avere un intero laboratorio molecolare nello spazio farà semplicemente esplodere ciò che possiamo fare lì, comprese indagini più complesse come questo lavoro CRISPR. Stiamo anche studiando come inserire questi metodi in altri ambienti come le stanze d'ospedale. La capacità di generare dati quasi in tempo reale potrebbe fornire un enorme vantaggio nell'affrontare la crisi della resistenza antimicrobica e in ambienti con risorse limitate".
Con i risultati che confermano che i ricercatori ora possono modificare con precisione un gene nello spazio, Rommel e Wallace sperano che altri ricercatori inizino a utilizzare questo strumento. "Abbiamo confermato che non è troppo complicato da fare nello spazio, " dice Rommel. "Ha funzionato come previsto, e ha fatto quello che doveva fare."
