A Humán Genom Projekt 1990-es indulása óta áttöréseket hozott a genetika megértésében. 2003 áprilisában befejezettnek nyilvánították, miután feltárták az emberi DNS három milliárd bázispárjának sorrendjét. Ennek ellenére még mindig rengeteg kérdés marad a genom szerkezetének fizikai szabályairól, köztük az, hogy a gravitáció miként formálja az életet a Földön, akár a mitokondriális szinten is.
Tartalomjegyzék
Egy új kutatás a New Yorki Egyetem Center for Soft Matter Research kutatócsapata vezetésével arra törekszik, hogy megválaszolja ezt a kérdést és így hozzájáruljon az űrutazás hatásainak enyhítéséhez. Kísérletükben egy innovatív mikrogravitációs környezetet hoztak létre, amely feltárja a gravitáció befolyását a humán sejtek genomjára. A munka két célt tűzött ki: izolálni a gravitáció genetikai hatását és megmutatni, hogyan működik a genom súlytalanságban.
Az ISS-re vezető hosszú távú kutatásoknak köszönhetően a tudósok megfigyelték, hogy a hosszú távú űrbéli tartózkodás jelentősen megváltoztathatja az emberi fiziológiát: például izom- és csontsűrűség csökkenése, látásproblémák, valamint a kardiovaszkuláris és központi idegrendszerre gyakorolt hatások. A NASA híres ikertesztje is rámutatott, hogy a gravitáció hiányában genetikai szinten is érezhető változások vannak, bár ezek teljes kifejeződése még nem ismert, ezért további vizsgálatokra van szükség.
A DNS szerkezetének és gravitáció szerepének feltárása
A genom szerkezete rendkívül összetett: a hosszú DNS-szál egy 1D-s sorrendben kódolt információ, amely két méter hosszú és többnyire 10 mikrométeres magba tömörödik. Ez a felépítés szorosan összefügg funkciójával, és a szerkezeti eltolódások betegségeket, például rákos vagy fejlődési rendellenességeket okozhatnak.
Alexandra Zidovska, az NYU Fizika tanszékének adjunktusa így fogalmazta meg a téma lényegét:
Földön a gravitáció állandó mechanikai stresszt jelent minden élő rendszer számára. Arra törekedtünk, hogy megértsük, milyen szerepe van a genom szerveződésében és funkciójában. Annak érdekében, hogy ezt feltárjuk, gravitációt mint erőt kiiktattunk a kísérletekből, és mikrogravitációt szimuláltunk. Ezen túl az űrben felmerülő gravitáció hiányának kérdését is vizsgáltuk annak érdekében, hogy megértsük, milyen hatásokkal számolhatunk hosszú távú űrutazások során.
A kutatók egy Random Positioning Machine-t (RPM) terveztek és építettek, amely hasonló a űrhajósok képzésében használt eszközökhöz. A készüléket élő sejtkultúrákkal ellátott tálcákkal párosították, és két tengely mentén, háromdimenziós útvonalon forgatták. Így lehetővé vált, hogy a sejtek magjában lévő gének dinamikáját megfigyeljék, és megfigyeljék, hogyan reagálnak a mikrogravitációra.
A gravitáció hatása a genom szerveződésére kísérleti megközelítésben
A kutatók emellett kidolgoztak háromdimenziós algoritmusokat a mikrogravitáció pontos szimulálására és a folyadékáramlás minimalizálására, amely a földi forgatások során gyakran fellép, súlytalanságban azonban elhalványul. Emellett olyan algoritmusokat is kifejlesztettek, amelyek segítik annak vizsgálatát, hogy ezek az áramlások miként befolyásolják a sejtek viselkedését. Ezek a módszertani fejlesztések csökkentették a mozgási áramlásokat és a sejttömeg-összetapadások kialakulását, így korábban elhomályosította mikrogravitáció hatásait.
A kísérlethez 24 óra időtartamra vizsgálták a sejtek viselkedését a szimulált mikrogravitáció és a folyadékáramlások között, összevetve a két környezetet. A fejlett képalkotó technikák segítségével részletesen feltérképezték a sejtek és magjaik változásait, valamint a genom szerveződésének dinamikáját és a szimulált mikrogravitáció okozta esetleges DNS-károsodás jeleit.
Egy európai űrügynökségi űrhajós, Samantha Cristoforetti dolgozott a Microgravity Science Glovebox berendezésével az ISS-en 2014-ben, a tanulmány képei ezt illusztrálják.
Kísérleti módszerek és első megfigyelések a mikrogravitációban
Összegzésként a mikrogravitáció kis mértékben növeli a sejtek magjának térfogatát, ami arra utal, hogy a gravitáció gyengíti ezt a térfogatot. Emellett a folyadékáramlások hatására a sejtek kiszélesednek vagy meghosszabbodnak. Ennek ellenére a sejtek maghártyájának vastagsága és felépítése megőrződik, ami arra utal, hogy a gravitáció minimálisan befolyásolja ezeket a tulajdonságokat, és a genom a sejtmagban megőrizte fizikai szerveződését és mozgását a 24 órás expozíció után.
Összességében a kutatók megfigyelték, hogy a mikrogravitáció egy napos expozíciója viszonylag finom változásokat eredményez, de ezek idővel súlyosbodhatnak is. A kísérletek akkor is kimutatták, hogy a mikrogravitáció nem okoz DNS-károsodást, viszont a folyadékáramlások igen. Zidovska szerint:
Az adatok azt mutatják, hogy a genom, annak szerveződése és dinamikája hihetetlenül robusztus marad, és a 24 óra után sem láthatók jelentős gravitatív hatások. Ugyanakkor hosszabb expozíciók és a térben bekövetkező DNS-károsodások kételyeket ébreszthetnek a jövőbeni időkben.
Részletezett eredmények és a tudományos következtetések
Ez a kutatás alapvető betekintést nyújt a genom szerveződésébe, és rámutat a gravitáció szerepére a földi élettani folyamatok szabályozásában. Az eredmények bíztatóak, hiszen a genom rendkívül robusztus a mechanikai terheléssel szemben, súlytalanságban sem mutat komoly változásokat. Mindazonáltal ez csak a microgravity hosszú távú hatásainak kezdeti feltárása, és a jövőbeni kutatások fontosak az űrmissziók hosszú távú kockázatainak megértéséhez.
A tanulmány megmutatta, hogy a génállomány fizikai szerveződése és dinamikája megőrizhető marad a gravitáció hiányában is hasonló időkeretek között, bár hosszabb expozíciók alatt bizonyos változások felmerülhetnek. Ezek az eredmények megerősítik, hogy a genom alapvető funkciói ellenállóak lehetnek a külső mechanikai stresszel szemben, ami jó hír a hosszú idejű űrutazások szempontjából. Másfelől az eredmények kiemelik, hogy a jövőbeni kutatásokra szükség van a hosszabb periódusokban és a tényleges űrbeli környezetben történő hatások megértéséhez.
A felfedezéseket a Science Advances című folyóiratban publikálták, amely részletesen bemutatja a módszereket és a megfigyelt jelenségeket.
© : Kanellakopoulos/Zidovska/NYU
Forrás: Universetoday.com
