SA: как длительность пребывания в космосе влияет на геном человека

Фото из открытых источников

С момента своего начала в 1990 году проект «Геном человека» привел к прорывам в нашем понимании генетики. В апреле 2003 года проект был объявлен завершенным после того, как ученые определили последовательность 3 миллиардов химических пар оснований, составляющих ДНК человека. К сожалению, многие вопросы о физических правилах, управляющих организацией генома, остаются. Среди них — вопрос о том, как гравитация влияет на жизнь на Земле, вплоть до митохондриального уровня.

Новое исследование, проведенное учеными из Центра исследований мягкой материи Нью-Йоркского университета (NYU), направлено на решение этого вопроса, чтобы помочь смягчить последствия космических полетов. В основе их работы лежит инновационная методика создания микрогравитационной среды для выявления влияния гравитации на клетки человека. Это исследование преследует две цели: изолировать влияние гравитации на гены человека и показать, как функционирует геном в условиях невесомости. Статья, описывающая его результаты, была опубликована в журнале Science Advances.

Благодаря многолетним экспедициям на Международную космическую станцию (МКС) ученые выяснили, что длительное пребывание в космосе может существенно влиять на физиологию человека. К таким последствиям относятся атрофия мышц, потеря плотности костной ткани, проблемы со зрением, а также воздействие на сердечно-сосудистую и центральную нервную системы. Знаменитое исследование НАСА о близнецах также показало, что микрогравитация влияет на астронавтов на генетическом уровне. Полный масштаб этих последствий пока неизвестен, что обуславливает необходимость дальнейших исследований.

Несмотря на значимость человеческого генома, мы до сих пор не до конца понимаем физические принципы, управляющие его организацией. Известно лишь, что его структура чрезвычайно сложна и состоит из одномерной последовательности, закодированной в двух метрах молекул ДНК, упакованных внутри крошечного клеточного ядра размером всего около 10 микрометров. Также известно, что его структура напрямую связана с его функцией, и отклонения могут приводить к таким заболеваниям, как рак и нарушения развития.

«На Земле роль гравитации весьма интересна — это постоянное механическое воздействие на всё вокруг. Мы хотели понять, какова роль гравитации в организации и функционировании генома здесь, на Земле. Чтобы это выяснить, необходимо устранить гравитацию как силу, поэтому в наших экспериментах мы имитировали невесомость. За пределами Земли также актуален вопрос отсутствия гравитации: как это повлияет на человеческий геном в открытом космосе? Мы считаем, что наши результаты могут быть полезны для лучшего понимания того, как космические путешествия влияют на нас», - пояснила Александра Зидовска из Нью-Йоркского университета.

Для своего эксперимента исследователи из Нью-Йоркского университета разработали и построили машину случайного позиционирования (RPM), аналогичную тем, которые используют астронавты для тренировок. Машина была сопряжена с чашками Петри с живыми клеточными культурами, которые вращались вокруг двух разных осей, следуя трехмерной траектории. Это позволило команде получить изображения генов внутри клеточных культур и отметить, как они реагируют на микрогравитацию.

Исследователи также разработали 3D-алгоритмы для моделирования микрогравитации и минимизации потока жидкости, который обычно возникает во время экспериментов по 3D-вращению на Земле, но отсутствует в условиях микрогравитации. Они также разработали алгоритмы для изучения того, как эти потоки влияют на клетки. Эти нововведения привели к уменьшению как потоков, так и образования клеточных агрегатов, которые маскировали эффекты микрогравитации в предыдущих исследованиях.

После 24 часов воздействия имитированной микрогравитации или потоков жидкости ученые использовали передовые методы визуализации для наблюдения за клетками в каждом из условий. Затем они записывали потоки изображений для проведения детального анализа, отмечая изменения в клетках и их ядрах, а также изменения в организации генома, динамике и возможном повреждении ДНК, вызванном имитированной микрогравитацией.

В целом, результаты показали, что микрогравитация увеличивает объем клеточного ядра, что указывает на то, что гравитация уменьшает его. Они также показали, что воздействие потоков удлиняет клетки. Несмотря на эти изменения, толщина и структура ядерной оболочки клеток остались неизменными, что свидетельствует о минимальном влиянии гравитации на эти характеристики. Геном внутри клеточного ядра сохранил свою физическую организацию и движения после 24-часового воздействия.

В целом, команда обнаружила, что воздействие имитированной микрогравитации в течение суток привело к довольно незначительным изменениям, но следует отметить, что эти изменения могут усиливаться со временем. Исследователи также показали, что микрогравитация не вызывает повреждения ДНК, но повреждения происходили, когда клетки подвергались воздействию потоков.

«Наши данные показывают, что геном, его организация и динамика невероятно устойчивы и, по-видимому, не подвержены влиянию гравитации или её отсутствия в течение 24 часов. Аналогично, эти результаты предполагают, что физическая организация человеческого генома может мало меняться в открытом космосе за сопоставимые промежутки времени. Однако такие изменения могут происходить при более длительных пребывании в космосе и из-за повреждения ДНК, происходящего в космосе», - сказала Зидовска.

Это исследование дает фундаментальное представление об организации генома и подчеркивает роль гравитации в регулировании жизни на Земле. Результаты обнадеживают, показывая, что наш геном очень устойчив к механическим воздействиям и может выдерживать воздействие микрогравитации без серьезных изменений. Тем не менее, этот эксперимент — лишь верхушка айсберга в исследовании долгосрочных последствий микрогравитации. Понимание диапазона этих последствий имеет важное значение для будущих длительных миссий в такие места, как Луна, Марс и за их пределы.