С момента своего создания в 1990 году проект «Геном человека» привел к прорыву в нашем понимании генетики. В апреле 2003 года проект был объявлен завершенным после того, как ученые определили последовательность 3 миллиардов пар химических оснований, составляющих ДНК человека. Увы, остается много вопросов о физических правилах, управляющих организацией генома. 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 технология создания среды микрогравитации, позволяющая выявить влияние гравитации на клетки человека. У этого исследования две цели: изолировать влияние гравитации на гены человека и показать, как геном функционирует в невесомости.
Благодаря десятилетиям экспедиций на Международную космическую станцию (МКС) ученые узнали, что длительное время в космосе может существенно повлиять на физиологию человека. К ним относятся атрофия мышц, потеря плотности костей, проблемы со зрением и воздействие на сердечно-сосудистую и центральную нервную системы. Знаменитое исследование НАСА «Близнецы» также показало, что микрогравитация влияет на астронавтов на генетическом уровне. Полная степень этих эффектов еще не известна, что требует дополнительных исследований.
Идентичные астронавты-близнецы, Скотт и Марк Келли, являются объектами исследования близнецов НАСА. Скотт (справа) провел год в космосе, а Марк (слева) остался на Земле в качестве контрольного субъекта. Исследователи изучили влияние космических путешествий на организм человека. Кредит: НАСА
Несмотря на значимость генома человека, мы до сих пор не до конца понимаем физические принципы, управляющие его организацией. Что известно, так это то, что его структура очень сложна и состоит из одномерной последовательности, закодированной в двухметровых молекулах ДНК, упакованных внутри крошечного клеточного ядра размером всего лишь 10 микрометров. Также известно, что его структура напрямую связана с его функцией, а отклонения могут привести к таким заболеваниям, как рак и отклонения в развитии.
Как объяснила Александра Зидовска, доцент кафедры физики Нью-Йоркского университета:
На Земле роль гравитации интригует — это постоянное механическое воздействие на все. Мы хотели знать, какова роль гравитации в организации и функционировании генома здесь, на Земле. Чтобы раскрыть это, нужно убрать гравитацию как силу, поэтому в наших экспериментах мы смоделировали невесомость. За пределами Земли также актуален вопрос отсутствия гравитации: как повлияет на человеческий геном пребывание в космическом пространстве? Мы думаем, что наши выводы могут быть полезны для лучшего понимания того, как космические путешествия влияют на нас.
Для своего эксперимента исследователи Нью-Йоркского университета спроектировали и построили машину случайного позиционирования (RPM), аналогичную той, которую астронавты используют для тренировок. Машина была соединена с чашками с культурами живых клеток, которые вращались по двум разным осям, следуя трехмерной траектории. Это позволило команде визуализировать гены в клеточных культурах и отметить, как они реагировали на микрогравитацию.
Исследователи также разработали 3D-алгоритмы для моделирования микрогравитации и минимизации потока жидкости, который обычно возникает во время экспериментов по трехмерному вращению на Земле, но отсутствует в условиях микрогравитации. Они также разработали алгоритмы для изучения того, как эти потоки повлияют на клетки. Эти нововведения привели к уменьшению как потоков, так и образования клеточных агрегатов, что затмило эффекты микрогравитации в предыдущих исследованиях.
После 24 часов воздействия моделируемой микрогравитации или потоков жидкости ученые использовали передовые методы визуализации для наблюдения за клетками в каждом состоянии. Затем они записали потоки изображений для проведения детального анализа, отметив изменения в клетках и их ядрах, а также изменения в организации, динамике генома и возможные повреждения ДНК, вызванные имитацией микрогравитации.
Астронавт Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти работает с перчаточным ящиком для науки о микрогравитации на борту Международной космической станции в 2014 году. Фото: НАСА.
В целом результаты показали, что микрогравитация увеличивает объем ядра клетки, а гравитация уменьшает его. Они также указали, что воздействие потоков удлиняет клетки. Несмотря на эти изменения, толщина и структура ядерной оболочки клеток остались неизменными, что позволяет предположить, что гравитация оказывает минимальное влияние на эти характеристики. Геном внутри ядра клетки сохранил свою физическую организацию и движение после 24-часового воздействия.
В целом, команда обнаружила, что дневное воздействие моделируемой микрогравитации привело к довольно незначительным изменениям, но учтите, что со временем они могут усилиться. Исследователи также показали, что микрогравитация не вызывает повреждения ДНК, но повреждение действительно происходит, когда клетки подвергаются воздействию потоков. Сказала Зидовская:
Наши данные показывают, что геном, его организация и динамика невероятно устойчивы и, кажется, не подвержены влиянию гравитации или ее отсутствия через 24 часа. Аналогичным образом, эти результаты предполагают, что физическая организация человеческого генома может мало измениться в космическом пространстве за сопоставимые сроки. Однако такие изменения могут произойти при более длительном воздействии и из-за повреждения ДНК, происходящего в космосе.
Это исследование предлагает фундаментальное понимание организации генома и подчеркивает роль гравитации в регулировании жизни на Земле. Результаты обнадеживают: они показывают, что наш геном очень устойчив к механическим воздействиям и может противостоять воздействию микрогравитации без серьезных изменений. Тем не менее, этот эксперимент — верхушка айсберга, когда дело доходит до исследования долгосрочных эффектов микрогравитации. Понимание спектра последствий необходимо для будущих длительных миссий в такие места, как Луна, Марс и за их пределами.
Статья, описывающая выводы исследователей, была опубликована в журнале Достижения науки.
Дополнительная литература: Нью-Йоркский университет, достижения науки.
