Het bestuderen van DNA-reparatie is de sleutel tot toekomstige ruimteverkenning, die mensen kunnen blootstellen aan het risico van DNA-schade veroorzaakt door straling. De omstandigheden in de ruimte kunnen ook van invloed zijn op de manier waarop het lichaam dergelijke schade herstelt, mogelijk dat risico vergroten.

Dankzij het werk van vier studenten, een team van onderzoekers, en het eerste gebruik in de ruimte van de CRISPR-genoombewerkingstechniek, een recent onderzoek aan boord van het internationale ruimtestation ISS leidde tot breuken in het DNA van een gewone gist, regisseerde de reparatiemethode, en de sequentie van het opgelapte DNA bepaald om te bepalen of de oorspronkelijke volgorde was hersteld. De Genes in Space-6-onderzoekers rapporteerden deze eerste voltooiing van het hele proces in de ruimte in een paper gepubliceerd in PLOS EEN .

Deze resultaten breiden de moleculaire biologietoolkit van het ruimtestation aanzienlijk uit, waardoor studies van DNA-reparatie en een verscheidenheid aan andere biologische onderzoeken in microzwaartekracht mogelijk worden.

Het lichaam repareert dubbelstrengige breuken in DNA - het doorsnijden van beide met elkaar verweven strengen van de dubbele helix - een van de twee belangrijkste manieren. In één methode, basen kunnen worden toegevoegd of verwijderd. De andere methode voegt de strengen weer samen zonder de DNA-sequentie te veranderen. Technische en veiligheidsproblemen hadden tot nu toe studie van deze reparatieprocessen aan boord van het ruimtestation verhinderd.

Genes in Space-6 was het geesteskind van vier studenten uit Minnesota:Aarthi Vijayakumar, Michelle Sung, Rebecca Li, en David Li. Ze kregen de kans om deel te nemen aan dit onderzoek als onderdeel van het Genes in Space-programma, een nationale wedstrijd die leerlingen in de groepen 7 tot en met 12 uitdaagt om DNA-analyse-experimenten te ontwerpen met behulp van het ISS U.S. National Lab en tools aan boord van het station. Het team is ook co-auteur van het resultatendocument.

Om DNA-breuken op specifieke locaties te genereren, het team gebruikte een genoombewerkingstechniek genaamd CRISPR, wat staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Deze zijn kort, herhaalde DNA-sequenties in bacteriën met daartussen virale DNA-sequenties. Bacteriën transcriberen de virale DNA-sequenties naar RNA, die vervolgens een specifiek eiwit naar het virale DNA leidt en het snijdt. Wetenschappers gebruikten deze natuurlijk voorkomende immuunrespons om de techniek te creëren.

Door CRISPR te gebruiken, de onderzoekers kunnen nauwkeurig gecontroleerde breuken creëren op een bekende locatie van het genoom, het elimineren van mogelijke risico's van willekeurige schade. Dat legde de basis om DNA-herstel in de ruimte mogelijk te maken, de mogelijkheid bieden om inzicht te krijgen in het type reparatiemechanisme dat wordt gebruikt.

"Begrijpen of een type reparatie minder foutgevoelig is, heeft belangrijke implicaties, " zegt Sarah Wallace, een microbioloog in de afdeling Biomedisch Onderzoek en Milieuwetenschappen van het Johnson Space Center van NASA in Houston. "Kan een therapie worden ontwikkeld om het ene pad boven het andere te stimuleren, of hebben we meer stralingsafscherming nodig, of allebei? Het is belangrijk om dit inzicht te krijgen om ervoor te zorgen dat we de bemanning beschermen en ze op de best mogelijke manier helpen herstellen."

Het hele proces in de ruimte uitvoeren - in plaats van een pauze te veroorzaken, bevriezen van het monster en verzenden naar de ruimte om te repareren - maakt het mogelijk om de effecten van ruimtevluchtomstandigheden te bepalen, en alleen ruimtevlucht voorwaarden, op het proces.

Genes in Space en ander DNA-gerelateerd onderzoek op het ruimtestation heeft ook geleid tot vooruitgang in de benodigde hardware. Gereedschappen op aarde lenen zich niet per se voor ruimtevluchten, zegt Sarah Rommel, de primaire auteur van het papier en een onderzoeker in het Microbiology Laboratory van Johnson. "We kunnen niet precies nemen wat we op aarde hebben en het gewoon in de ruimte plaatsen, omdat we de bemanning en alle milieusystemen aan boord veilig moeten houden. Bijvoorbeeld, we maakten onze eigen aangepaste kits voor het hele proces, kijken hoe je de minste hoeveelheid van de veiligste materialen kunt gebruiken en toch de beste wetenschap kunt krijgen."

"Hoewel er meer werk nodig is om mogelijke voorkeuren voor DNA-herstelprocessen die in de ruimte worden gebruikt te begrijpen, dit werk demonstreerde de verfijning van wat kan worden gedaan met de moleculaire hulpmiddelen aan boord, "voegt Wallace toe. "Het hebben van een heel moleculair laboratorium in de ruimte zal gewoon exploderen wat we daar kunnen doen, inclusief meer complexe onderzoeken zoals dit CRISPR-werk. We bekijken ook hoe we deze methoden kunnen toepassen in andere omgevingen, zoals ziekenhuiskamers. De mogelijkheid om bijna-realtime gegevens te genereren, kan een enorm voordeel opleveren bij het omgaan met de antimicrobiële resistentiecrisis en in omgevingen met beperkte middelen."

Met de resultaten die bevestigen dat onderzoekers nu een gen in de ruimte precies kunnen bewerken, Rommel en Wallace hopen dat andere onderzoekers deze tool gaan gebruiken. "We hebben gevalideerd dat het niet te ingewikkeld is om in de ruimte te doen, " zegt Rommel. "Het werkte zoals het bedoeld was, en het deed wat het moest doen."