Att studera DNA-reparation är nyckeln till framtida rymdutforskning, som skulle kunna utsätta människor för risk för DNA-skador orsakade av strålning. Förhållandena i rymden kan också påverka hur kroppen reparerar sådana skador, potentiellt förvärra den risken.

Tack vare fyra elevers arbete, ett team av forskare, och den första användningen i rymden av CRISPR-genomredigeringstekniken, en nyligen genomförd undersökning ombord på International Space Station genererade framgångsrikt brott i DNA från en vanlig jäst, regisserade reparationsmetoden, och sekvenserade det lappade DNA:t för att avgöra om dess ursprungliga ordning återställdes. The Genes in Space-6-forskare rapporterade detta första slutförande av hela processen i rymden i en artikel publicerad i PLOS ETT .

Dessa resultat utökar rymdstationens verktygslåda för molekylärbiologi avsevärt, möjliggör studier av DNA-reparation och en mängd andra biologiska undersökningar i mikrogravitation.

Kroppen reparerar dubbelsträngsbrott i DNA - avskärning av båda de sammanflätade strängarna i dubbelhelixen - ett av två huvudsakliga sätt. I en metod, baser kan läggas till eller tas bort. Den andra metoden förenar strängarna igen utan att ändra DNA-sekvensen. Tekniska och säkerhetsmässiga oro hade förhindrat studier av dessa reparationsprocesser ombord på rymdstationen tills nu.

Genes in Space-6 var idén från fyra studenter från Minnesota:Aarthi Vijayakumar, Michelle Sung, Rebecca Li, och David Li. De fick möjligheten att delta i denna forskning som en del av programmet Genes in Space, en nationell tävling som utmanar elever i årskurserna 7 till 12 att designa DNA-analysexperiment med hjälp av ISS U.S. National Lab och verktyg ombord på stationen. Teamet är också medförfattare på resultatpappret.

För att generera DNA-avbrott på specifika platser, teamet använde en genomredigeringsteknik som heter CRISPR, som står för Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Dessa är korta, upprepade sekvenser av DNA i bakterier med virala DNA-sekvenser mellan dem. Bakterier transkriberar de virala DNA-sekvenserna till RNA, som sedan guidar ett specifikt protein till det virala DNA:t och skär det. Forskare utnyttjade detta naturligt förekommande immunsvar för att skapa tekniken.

Genom att använda CRISPR, forskarna kan skapa exakt kontrollerade avbrott på en känd plats i genomet, eliminera möjliga risker från slumpmässiga skador. Det lade grunden för att DNA-reparation kunde ske i rymden, ger möjlighet att få insikt i vilken typ av reparationsmekanism som används.

"Att förstå om en typ av reparation är mindre felbenägen har viktiga konsekvenser, säger Sarah Wallace, en mikrobiolog vid avdelningen för biomedicinsk forskning och miljövetenskap vid NASA:s Johnson Space Center i Houston. "Kan ett terapeutiskt medel utvecklas för att uppmuntra en väg framför den andra, eller behöver vi mer strålskydd, eller båda? Det är viktigt att få denna förståelse för att säkerställa att vi skyddar besättningen och hjälper dem att återhämta sig på bästa möjliga sätt."

Att utföra hela processen i rymden – snarare än att orsaka ett avbrott, fryser provet och skickar det ut i rymden för att repareras – gör det möjligt att bestämma effekterna av rymdfärdsförhållanden, och endast rymdfärdsförhållanden, på processen.

Gener in Space och annan DNA-relaterad forskning på rymdstationen har också gett framsteg i den hårdvara som behövs. Verktyg på jorden lämpar sig inte nödvändigtvis för rymdfärd, säger Sarah Rommel, tidningens främsta författare och en forskare vid Microbiology Laboratory vid Johnson. "Vi kan inte ta exakt vad vi har på jorden och bara placera det i rymden, eftersom vi måste hålla besättningen och alla miljösystem ombord säkra. Till exempel, vi gjorde våra egna skräddarsydda kit för hela processen, tittar på hur man använder minsta möjliga mängd av de säkraste materialen och ändå får den bästa vetenskapen."

"Medan det krävs mer arbete för att förstå potentiella preferenser för DNA-reparationsprocesser som används i rymden, detta arbete demonstrerade sofistikeringen av vad som kan göras med de molekylära verktygen ombord, ", tillägger Wallace. "Att ha ett helt molekylärt laboratorium i rymden kommer bara att explodera vad vi kan göra där, inklusive mer komplexa utredningar som detta CRISPR-arbete. Vi tittar också på hur man kan placera dessa metoder i andra miljöer som sjukhusrum. Möjligheten att generera nästan realtidsdata kan ge en enorm fördel för att hantera krisen mot antimikrobiell resistens och i resursbegränsade miljöer."

Med resultaten som bekräftar att forskare nu kan exakt redigera en gen i rymden, Rommel och Wallace hoppas att andra forskare börjar använda detta verktyg. "Vi validerade att det inte är för komplicerat att göra i rymden, " säger Rommel. "Det fungerade som det var tänkt, och den gjorde vad den skulle göra."