基因剪上太空了 國際空間站首次成功使用新技術研究酵母DNA修復

研究人員在國際空間站研究DNA損傷修復。課題組供圖

太空中彌漫著大量電離輻射，這讓宇航員面臨著更大的DNA損傷風險。而在人類和其他動物中，受損DNA會誘發(fā)癌癥等問題。

雖然，細胞能自行修復受損DNA，但由于技術和安全等原因，太空中DNA修復過程整體研究止步不前。

幸運的是，美國JES Tech、MiniPCR Bio、麻省理工學院、懷特黑德生物醫(yī)學研究所等機構研究人員，開發(fā)并展示了一種研究細胞如何在太空中修復受損DNA的新方法。這標志著“基因剪”首次在國際空間站亮出閃亮刀鋒。

7月1日，相關論文刊登于《公共科學圖書館—綜合》。

“宇航細胞”自我修復可還行？

當人們沖出大氣層探索地球以外的空間時，可能面臨電離輻射造成的有害DNA損傷。

實際上，在正常的生物過程中，生物體DNA損害時有發(fā)生，但環(huán)境因素（如紫外線）也可能加重這種問題。幸運的是，細胞有幾種不同的自然策略來修復受損的DNA。

其中，雙鏈斷裂是DNA損傷的一種類型，其可以通過兩種主要的細胞途徑進行修復：非同源端連接和同源重組。非同源端連接可以在斷裂位點進行額外的添加或刪除，同源重組則通常保持DNA序列不變。

先前的研究表明，太空條件可能會影響DNA修復路徑的選擇。例如，之前有表明，微重力條件可能會影響人體對DNA修復策略的選擇，引發(fā)了人們對細胞自身修復能力可能不夠的擔憂。

因此，隨著載人航天的不斷發(fā)展，弄清人體在太空中采用哪種特定的DNA修復策略變得尤為重要。

“我們在地球上使用的許多破壞DNA的技術（比如輻射），在太空中使用都被認為是不安全的?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧弧iniPCR Bio的Emily Gleason告訴《中國科學報》。

CRISPR/Cas9基因組編輯技術利用CRISPR酶對人類DNA進行切割，能夠人為有效地改變DNA?！痹摷夹g在此之前還沒有在太空中進行過，但這次我們利用新技術成功地在國際空間站使用了它。這也是第一次在太空中完成整個分子生物學工作流程?！?/p>

“剪開”DNA雙鏈

“太空基因”項目的Sarah Stahl-Rommel及其同事于，開發(fā)了一種研究酵母細胞DNA修復的新方法，它主要基于CRISPR/Cas9技術，能誘導DNA斷裂和評估生物體如何選擇針對完全在空間中出現(xiàn)的雙鏈斷裂的修復途徑。

“這種方法完全可以在太空中進行。”Rommel表示，“這項技術借助‘基因剪’對DNA鏈進行精確損傷，這樣與輻射或其他原因造成的非特異性損傷相比，人們可以更詳細地觀察到雙鏈斷裂后的DNA修復機制?！?/p>

研究人員在國際空間站上的酵母細胞中證明了這種新方法的可行性。他們希望借助這項技術在太空中進行廣泛的DNA修復研究。他們不僅在極端環(huán)境下成功部署了CRISPR/Cas9基因組編輯、聚合酶鏈反應和納米孔測序等新技術，而且能夠將它們整合到一個功能完整的生物技術工作流程中，適用于DNA修復和微重力條件下其他基本細胞過程研究。

這不僅標志著CRISPR/Cas9基因組編輯首次在太空中成功進行，也是活細胞首次在太空中成功進行轉化——整合來自生物體外部的遺傳物質。這些里程碑標志著國際空間站上分子生物學工具包的重大擴展。資深作者Sebastian Kraves說，“這些發(fā)展讓團隊對人類探索和居住廣闊太空的新探索充滿了希望。”

NASA約翰遜太空中心微生物學家Sarah Castro-Wallace說：“我其令人難以置信的復雜性所震撼，我們看到，當一個生物體被轉化時，它的基因組被CRISPR/Cas9編輯，出現(xiàn)DNA斷裂，然后生長并修復DNA，最后，人們再測序它的DNA，所有這些都是在國際空間站的太空飛行環(huán)境中完成的。執(zhí)行這種包羅萬象、端到端調查的能力是空間生物學向前邁出的巨大一步?！?/p>

“成為太空六號基因計劃的一員是我職業(yè)生涯的亮點。我親眼看到，當學生們的創(chuàng)新想法得到來自學術界、工業(yè)界和美國宇航局的支持時，可以取得多大的成就。團隊的專業(yè)知識也使學生們能夠在地球之外進行高質量、復雜的科學研究?！盧ommel告訴記者，“我希望這一影響深遠的合作能夠繼續(xù)向學生和高級研究人員展示我們實驗室在太空中的可能性。”

創(chuàng)造了無數(shù)首次的高中生挑戰(zhàn)

太空六號基因計劃實際上是“太空基因計劃”的一部分。

波音公司和miniPCR生物公司合作開展的“太空基因計劃”始于2015年，是一項免費的高中生科學競賽，國際空間站美國國家實驗室和新英格蘭生物實驗室等為該項目提供了支持。

參賽學生可以為國際空間站設計DNA實驗。太空一號基因計劃是由首個獲勝者Anna-Sophia Bogaraev設計的，而太空六號基因計劃是由來自明尼蘇達州的高中生團隊設計的，他們在2018年的競賽中獲勝。

太空一號基因計劃標志著聚合酶鏈反應首次在太空中使用miniPCR熱循環(huán)擴增DNA，隨后不久研究人員開始能使用MinION設備測序DNA。太空三號基因計劃結合了這兩項成果，進行了在微重力下微生物鑒定完整過程，這是首次在空間站上完成完整樣本測序。

在太空中識別微生物可以幫助宇航員實時診斷和治療疾病，也有助于識別其他星球上以DNA為基礎的生命。該研究首先采集微生物樣本，進行聚合酶鏈反應擴增，然后進行測序和鑒定。NASA宇航員 Peggy Whitson在國際空間站進行了這項實驗，Wallace團隊在休斯頓觀察并指導她。

作為常規(guī)微生物監(jiān)測的一部分，培養(yǎng)皿被置于空間站的不同表面。大約一周后，Whitson將培養(yǎng)皿中生長的菌落中的細胞轉移到微型試管中，這在太空中是前所未有的。成功收集到這些細胞后，Whitson就可以分離DNA并為測序做準備，進而鑒定未知的生物體——這是太空微生物學的又一個首次。

“在技術方面，太空六號基因計劃利用了太空一號和三號基因計劃開發(fā)的技術，但增加了在太空轉化和編輯活細胞的額外步驟?！盙leason說，未來，研究人員將改進這種新方法，以更好地模擬電離輻射造成的復雜DNA損傷。這項技術還可以作為研究與長期空間接觸和探索有關的許多其他分子生物學主題的基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403

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