Det börjar med ett instrument. Sedan ansluter en till. Innan du vet ordet av spelar en storslagen symfoni framför dina ögon. Forskare i NASA Twins Study är angelägna om att integrera sina resultat och skapa en vetenskapssymfoni.

Preliminära resultat diskuterades under Human Research Program Investigators' Workshop i januari, och nu florerar entusiasmen när integrationsprocessen börjar. Utredarna är en unik grupp forskare med olika expertis kopplad till genetiska och fysiologiska studieområden.

Medan Scott Kelly tillbringade ett år i rymden ombord på rymdstationen, hans identiska tvillingbror, den pensionerade astronauten Mark Kelly, tillbringade det året på jorden. Att jämföra tvillingarnas biologiska prover kommer att ge viktig information om hur rymdfärder påverkar människokroppen. Dessa banbrytande genetiska studier kommer att hjälpa NASA att hålla astronauterna säkra på en resa till Mars.

Symfonin börjar med data. Big data. Tvillingstudien etablerades som en multiomics-pilotstudie för att dela data. Vanligtvis, forskning görs individuellt och resultaten offentliggörs i vetenskapliga tidskrifter som startar diskussioner om resultat. Dock, denna studie är annorlunda. Från början, utredarna i Twins Study har planerat att integrera sina resultat innan de publiceras.

Varje utredning är som ett instrument. På egen hand, den spelar solomusik. Men lägg dem alla tillsammans och du har något otroligt.

"Det fina med denna studie är när man integrerar rika datamängder av fysiologiska, neurobeteende och molekylär information, man kan rita samband och se mönster, " sa Tejaswini Mishra, Ph.D., forskarassistent vid Stanford University School of Medicine, vem skapar den integrerade databasen, registrera resultat och leta efter korrelationer. "Ingen har någonsin tittat så djupt på en människa och profilerat dem i denna detalj. De flesta forskare kombinerar kanske två till tre typer av data men den här studien är en av de få som samlar in många olika typer av data och en aldrig tidigare skådad mängd data. information."

Nästa steg i tvillingstudien är att komponera symfonin. När enskilda forskare analyserar och sammanställer sina data kommer de att dela sina individuella och integrerande analyser med Stanford-teamet som leds av Mike Snyder, Ph.D., som kommer att tillämpa olika metoder för att ytterligare integrera det i stora datamängder och börja komponera en mästerlig ensemble. Efter det, utredarna kommer att börja granska den integrerade datamängden för att antingen bekräfta eller modifiera deras initiala resultat.

"Det finns många nybörjare med den här studien och det gör det spännande, sa Brinda Rana, Ph.D., docent i psykiatri, University of California San Diego School of Medicine. "En jämförande studie med en tvilling i rymden och en på jorden har aldrig gjorts tidigare. Varje undersökning i studien kompletterar den andra."

Forskarna ser studien som ett nytt musikstycke där de lär sig sina individuella delar och sedan går tillsammans med dirigenten för att spela partituren. Genom integrering av data från biokemiska markörer, kognitiv förmåga, tarmens bakteriesammansättning, och biomolekyler (DNA, RNA, proteiner, metaboliter), de hoppas kunna identifiera hälsorelaterade molekylära effekter av rymdfärd för att skydda astronauter på framtida uppdrag.

"De mänskliga systemen i kroppen är alla sammanflätade och det är därför vi bör se data på ett holistiskt sätt, " sa Scott M. Smith, Ph.D., NASA-chef för näringsbiokemi vid Johnson Space Center. Han utför biokemiska profiler på astronauter och hans forskning är inriktad på specifika metaboliter, slutprodukter av olika biologiska vägar och processer.

"Om vi ​​ser proteinförändringar kan vi titta på RNA, och om vi ser RNA-förändringar kan vi titta på DNA, sa Rana. "Genom att integrera data kan vi göra en tidslinje för att ge oss en indikation om det är en föregångare eller ett resultat av genetik. Reglerar en specifik gen proteinförändringar eller ändrar andra gener? När vi väl vet kan vi fastställa orsak och verkan och använda molekyler för att mäta ."

Ibland överraskar vetenskapen oss.

Susan Bailey, Ph.D., professor i strålning cancerbiologi och onkologi, College of Veterinary Medicine and Biomedical Science, Colorado State University, fick preliminära resultat i strid med hennes hypotes. Telomerer förkortas när vi åldras så hon förväntade sig att se Scott Kellys telomerer förkortas efter att ha levt i rymden nästan ett år. Men till hennes förvåning, de preliminära resultaten visade en ökning av den genomsnittliga telomerlängden eller en ökning av populationen av celler som har längre telomerer. Därför, hon söker efter mekanistiska data för att förklara vad hon ser. To determine if it is an anomaly or not, she is looking at Scott's exercise schedule, food logs and behavioral data. She also is looking at data from Andy Feinberg, M.D., M.P.H., director, Center of Epigenetics, Johns Hopkins University School of Medicine, who is analyzing methylation patterns, a major factor in gene regulation and gene expression, such as which genes are turned on and off.

Bailey will also look at data from Chris Mason, Ph.D., associate professor, Department of Physiology and Biophysics Weill Cornell Medicine, for mutations in the promoter region of the telomerase, to help form a correlation and confirm or refute her preliminary finding.

Mason said, "Both the universe and the human body are complicated systems and we are studying something hard to see. It's like having a new flashlight that illuminates the previously dark gears of molecular interactions. It is a more comprehensive way to conduct research."

"There is no doubt, the learnings from integrating our data will be priceless, " said Emmanuel Mignot, M.D., Ph.D., director of Center for Sleep Science and Medicine, Stanford University School of Medicine. He studies the immune system and is enthusiastic to study specific immune cell populations because many of the other immune studies focus only on general factors.

The orchestra is only warming up now. As the data from individual investigations start filtering into the integrated composition, researchers and NASA eagerly await the results. When the full score of integrated data is ready, the summary of results will be published in late 2017 or early 2018. After that, individual investigators will publish theme papers with more detailed findings of the various investigations. As NASA embarks on its next journey, the results of the Twins Study will provide a front-row seat in this grand performance of human exploration.