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修複

研究人員在國際空間站研究DNA損傷(shang) 修複。課題組供圖

太空中彌漫著大量電離輻射，這讓宇航員麵臨(lin) 著更大的DNA損傷(shang) 風險。而在人類和其他動物中，受損DNA會(hui) 誘發癌症等問題。

雖然，細胞能自行修複受損DNA，但由於(yu) 技術和安全等原因，太空中DNA修複過程整體(ti) 研究止步不前。

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

7月1日，相關(guan) 論文刊登於(yu) 《公共科學圖書(shu) 館—綜合》。

“宇航細胞”自我修複可還行？

當人們(men) 衝(chong) 出大氣層探索地球以外的空間時，可能麵臨(lin) 電離輻射造成的有害DNA損傷(shang) 。

實際上，在正常的生物過程中，生物體(ti) DNA損害時有發生，但環境因素（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複受損的DNA。

其中，雙鏈斷裂是DNA損傷(shang) 的一種類型，其可以通過兩(liang) 種主要的細胞途徑進行修複：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(hui) 影響DNA修複路徑的選擇。例如，之前有表明，微重力條件可能會(hui) 影響人體(ti) 對DNA修複策略的選擇，引發了人們(men) 對細胞自身修複能力可能不夠的擔憂。

因此，隨著載人航天的不斷發展，弄清人體(ti) 在太空中采用哪種特定的DNA修複策略變得尤為(wei) 重要。

“我們(men) 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(wei) 是不安全的。”論文通訊作者之一、MiniPCR 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(wei) 有效地改變DNA。”該技術在此之前還沒有在太空中進行過，但這次我們(men) 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(ge) 分子生物學工作流程。”

“剪開”DNA雙鏈

“太空基因”項目的Sarah Stahl-Rommel及其同事於(yu) ，開發了一種研究酵母細胞DNA修複的新方法，它主要基於(yu) CRISPR/Cas9技術，能誘導DNA斷裂和評估生物體(ti) 如何選擇針對完全在空間中出現的雙鏈斷裂的修複途徑。

“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(shang) ，這樣與(yu) 輻射或其他原因造成的非特異性損傷(shang) 相比，人們(men) 可以更詳細地觀察到雙鏈斷裂後的DNA修複機製。”

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(men) 希望借助這項技術在太空中進行廣泛的DNA修複研究。他們(men) 不僅(jin) 在極端環境下成功部署了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(men) 整合到一個(ge) 功能完整的生物技術工作流程中，適用於(yu) DNA修複和微重力條件下其他基本細胞過程研究。

這不僅(jin) 標誌著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(ti) 外部的遺傳(chuan) 物質。這些裏程碑標誌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複雜性所震撼，我們(men) 看到，當一個(ge) 生物體(ti) 被轉化時，它的基因組被CRISPR/Cas9編輯，出現DNA斷裂，然後生長並修複DNA，最後，人們(men) 再測序它的DNA，所有這些都是在國際空間站的太空飛行環境中完成的。執行這種包羅萬(wan) 象、端到端調查的能力是空間生物學向前邁出的巨大一步。”

“成為(wei) 太空六號基因計劃的一員是我職業(ye) 生涯的亮點。我親(qin) 眼看到，當學生們(men) 的創新想法得到來自學術界、工業(ye) 界和美國宇航局的支持時，可以取得多大的成就。團隊的專(zhuan) 業(ye) 星空体育官网入口网站也使學生們(men) 能夠在地球之外進行高質量、複雜的科學研究。”Rommel告訴記者，“我希望這一影響深遠的合作能夠繼續向學生和高級研究人員展示我們(men) 實驗室在太空中的可能性。”

創造了無數首次的高中生挑戰

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”始於(yu) 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(lan) 生物實驗室等為(wei) 該項目提供了支持。

參賽學生可以為(wei) 國際空間站設計DNA實驗。太空一號基因計劃是由首個(ge) 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(men) 在2018年的競賽中獲勝。

太空一號基因計劃標誌著聚合酶鏈反應首次在太空中使用miniPCR熱循環擴增DNA，隨後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(liang) 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，也有助於(yu) 識別其他星球上以DNA為(wei) 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，然後進行測序和鑒定。NASA宇航員 Peggy Whitson在國際空間站進行了這項實驗，Wallace團隊在休斯頓觀察並指導她。

作為(wei) 常規微生物監測的一部分，培養(yang) 皿被置於(yu) 空間站的不同表麵。大約一周後，Whitson將培養(yang) 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後，Whitson就可以分離DNA並為(wei) 測序做準備，進而鑒定未知的生物體(ti) ——這是太空微生物學的又一個(ge) 首次。

“在技術方麵，太空六號基因計劃利用了太空一號和三號基因計劃開發的技術，但增加了在太空轉化和編輯活細胞的額外步驟。”Gleason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複雜DNA損傷(shang) 。這項技術還可以作為(wei) 研究與(yu) 長期空間接觸和探索有關(guan) 的許多其他分子生物學主題的基礎。

相關(guan) 論文信息：

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