Elevteamet som utvecklade Genes in Space 6-experimentet. Från vänster till höger:David Li, Aarthi Vijayakumar, Michelle Sung, och Rebecca Li. Kredit:Boeing
Jordens atmosfär skyddar livet på marken från kosmisk strålning som kan skada DNA. Astronauter i rymden har inget sådant skydd, och det sätter dem i fara. En undersökning av den internationella rymdstationen undersöker DNA-skador och reparationer i rymden för att hjälpa till att skydda rymdresenärers hälsa på lång sikt.
En organism bär all sin genetiska information i sin deoxiribonukleinsyra eller DNA. Denna plan för livet tar formen av specifika sekvenser av kvävebaser:adenin, cytosin, guanin, och tymin, representeras av bokstäverna A, C, G och T.
En typ av DNA-skada är dubbelsträngbrott, i huvudsak ett snitt över båda DNA-strängarna. Celler reparerar dessa raster nästan omedelbart, men kan göra fel, infoga eller radera DNA-baser och skapa mutationer. Dessa mutationer kan resultera i sjukdomar som cancer. Gener in Space-6 tittar på den specifika mekanismen celler använder för att reparera dubbelsträngbrott i rymden.
Undersökningen tar celler av jästen Saccharomyces cerevisiae till rymdstationen, där astronauter orsakar en specifik typ av skada på dess DNA med hjälp av ett genomredigeringsverktyg känt som CRISPR-Cas9. Astronauterna låter cellerna reparera denna skada, gör sedan många kopior av den reparerade sektionen med en process som kallas polymeraskedjereaktion (PCR) med en inbyggd enhet, miniPCR. En annan enhet, Gunstling, används sedan för att sekvensera den reparerade delen av DNA i dessa kopior. Sekvensering visar den exakta ordningen på baserna, avslöjar om reparationen återställde DNA:t till sin ursprungliga ordning eller gjorde fel.
Elevteamet Genes in Space-6. Kredit:GENES IN SPACE
Utredningen representerar ett antal första, inklusive den första användningen av CRISPR-Cas9 genetisk redigering på rymdstationen och första gången forskare utvärderar hela skadan och reparationsprocessen i rymden.
"Skadan sker faktiskt på rymdstationen och analysen sker också i rymden, " sa en av utredarna från miniPCR Bio, Emily Gleason. "Vi vill förstå om DNA-reparationsmetoder är annorlunda i rymden än på jorden."
Denna undersökning är en del av programmet Genes in Space. Grundades av miniPCR och Boeing, programmet utmanar eleverna att komma på DNA-experiment i rymden som involverar användning av PCR-tekniken och miniPCR-enheten på stationen. Studenter skickar in idéer online, och programmet väljer fem finalister. Dessa finalister paras ihop med en mentorforskare som hjälper dem att förvandla sin idé till en presentation för ISS Research and Development Conference. En panel av domare väljer ut ett föreslaget experiment för att flyga till rymdstationen.
"Vi vill inspirera eleverna att tänka som vetenskapsmän och ge dem möjlighet till en autentisk vetenskapsupplevelse som inte kostar dem någonting, " säger Gleason. Mer än 550 studentteam lämnade in idéer förra året. Genes in Space-6-utredningsstudentteamet inkluderar Michelle Sung, Rebecca Li, och Aarthi Vijayakumar på Mounds View High School i Arden Hills, Minnesota, och David Li, nu nybörjare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i Cambridge, Massachusetts. Deras mentor är Kutay Deniz Atabay vid MIT.
miniPCR-enheten, används för att göra flera kopior av en viss DNA-sträng i rymden. Kredit:NASA
Andra utredare inkluderar Sarah E. Stahl och Sarah Wallace med NASA:s Johnson Space Center Microbiology-grupp i Houston; G. Guy Bushkin, Whitehead Institute for Biomedical Research, Cambridge; Melissa L. Boyer, Teresa K. Tan, Kevin D. Foley, och D. Scott Copeland vid Boeing; och Ezequiel Alvarez Saavedra, Gleason, och Sebastian Kraves på Amplyus LLC, i Cambridge. Amplyus är moderbolag till miniPCR Bio.
"En sak som utredningen kommer att säga oss är ja, vi kan göra dessa saker i rymden, " sa Gleason. "Vi förväntar oss att se jästen använda den felfria metoden för reparation oftare, vilket är vad vi ser på jorden; men vi vet inte säkert om det blir samma sak eller inte. I sista hand, vi kan använda denna kunskap för att hjälpa till att skydda astronauter från DNA-skador orsakade av kosmisk strålning på långa resor och för att möjliggöra genomredigering i rymden."
Procedurerna som används i denna undersökning kan ha tillämpningar för att skydda människor från strålning och andra faror även på avlägsna och tuffa platser på jorden.
