CERCETAREA EPIGENETICII ÎN SPAȚIUL COSMIC
Un număr tot mai mare de cercetători leagă modalitățile prin care organismele reacționează în raport cu mediul lor, la nivel celular, către o varietate surprinzătoare de comportamente și modificări fizice. Mecanismul este genetic, dar implică adăugarea de informații suplimentare la ADN-ul propriu, fără să genereze schimbarea schimbarea secvenței acestuia. Oamenii de știință numesc acest proces epigenetică, iar aceasta joacă un rol în modificările pe care oamenii și ale vietăți le experimentează în spațiul cosmic. Fiind acum un domeniu de actualitate în studiul bio-științelor, epigenetica suscită cercetări asupra multor organisme specifice de la bordul Stației Spațiale Internaționale.
Conform unui studiu de la Institutul Național de Științe ale Sănătății Mediului, epigenetica include orice proces care alterează activitatea genelor fără să-i modifice de fapt secvența ADN și care duce la modificări care pot trece la urmași. În esență, implică informația adăugată la secvența ADN a celor patru baze sau blocuri de ADN: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T).
”Secvența ADN este modelul amprentă al oricărei ființe vii, oferind informații despre cine și ce ești”, a precizat Sarah Wallace, microbiolog la Centrul Spațial Johnson al NASA, din Houston. ”Epigenetica se referă la modificări într-un organism datorate modificărilor în genele care sunt exprimate, sau pornite ori dezactivate, fără să modifice acea secvența în sine. Gândiți-vă că nu se schimbă locul unde se află o fereastră pe peretele casei dacă adăugăm o perdea peste fereastră pentru umbrire.”
Diverse acțiuni ale mediului pot determina organismele să dezvăluie noi aspecte ale tiparului lor genetic. Spre deosebire de o modificare sau mutație genetică, o schimbare epigenetică se poate inversa în momentul în care organismul părăsește mediul care a provocat-o.
Orice stimul extern pe care organismul îl poate detecta – de la substanțe chimice, la traume și exerciții fizice – are potențialul de a provoca modificări epigenetice. Multe asemenea modificări epigenetice sunt pozitive sau chiar esențiale, dar unele provoacă efecte adverse grave asupra sănătății și efecte de comportament, inclusiv cancer sau afecțiuni cardiovasculare și autoimune, precum și modificări ale funcției cognitive.
Cercetările de epigenetică în micro-gravitație implică o varietate de organisme. ”Am văzut din analizele multi-anuale că mediul spațial schimbă expresia genelor”, a menționat Wallace. ”În fiecare organism și tip de celule pe care le-am trimis în spațiul cosmic, am observat studiindu-le că acestea se schimbă. Ceea ce nu știm întotdeauna este cum sau din ce motiv, iar epigenetica ne-ar putea ajuta aici. Prin studiul epigeneticii este posibil să putem delimita calea pe care o utilizează celulele pentru a se adapta și supraviețui în micro-gravitație. Atunci când înțelegem mecanica lui cum și de ce se întâmplă, putem conecta procesele și învăța cum să controlăm modificările pozitive sau să le prevenim pe cele negative.”
Studiul important pe gemeni umani din programul de cercetare umană al NASA a reunit 10 echipe de cercetare din întreaga țară pentru a observa modificările aduse corpului uman după o expunere de aproape un an la pericolele din spațiu. Studiul a comparat o gamă largă de eșantioane și măsurători colectate pe toată durata misiunii astronautului Scott Kelly (acum pensionat) cu cele ale fratelui său geamăn identic, care a rămas pe Terra, astronautul pensionat Mark Kelly. Unul din aspectele comparate de cercetători a fost legat de schimbările epigenetice ale fraților, descoperind că Scott a experimentat schimbări epigenetice ușoare, dar nu mai mult de 1% față de cele ale lui Mark pe Terra. Mai mult, cele mai multe dintre modificările epigenetice ale lui Scott s-au produs în etapa a doua, de șase luni, a misiunii și este posibil să nu fi fost observate într-o misiune mai scurtă.
Un studiu privind pierderile osoase experimentate de astronauți în misiunile spațiale îndelungate se bazează pe epigenetică. Cercetătorii care au evaluat formarea celulelor osoase în micro-gravitație, utilizând ca model celule stem derivate din sânge uman (BDSC), au raportat modificări epigenetice specifice în celulele din spațiu. Ancheta agenției spațiale italiene se numește ”Rolul sistemului endocannabinoid în reprogramarea celulelor stem umane pluripotente în condiții de micro-gravitație (SERISM).”
APEX-03 și APEX-04 sunt studii privind creșterea plantelor în micro-gravitație. Aceste studii au examinat metilarea ADN-ului și expresia genelor la Arabidopsis thaliana, cultivate din semințe pe stația spațială. Membră a familiei muștarului, această plantă servește în mod obișnuit ca model pentru studii celulare și genetice asupra plantelor cu flori.
Divizia de Cercetări și Aplicații pentru Științe Fizice și Viața Spațială (SLPSRA) din cadrul Direcției Misiunii de Explorare și Operațiuni Umane de la sediul central al NASA din Washington sponsorizează investigațiile APEX ca parte a misiunii sale de cercetare care să permită explorarea spațială cu echipaj uman.
În plus față de modificările pe scară largă ale modelelor de exprimare a genelor, cercetătorii au descoperit modificări epigenetice la plantele cultivate în spațiu.
”Aceasta răspunde la întrebarea dacă epigenetica are un rol în adaptarea fiziologică a unei plante la zborul spațial”, a spus Robert J. Ferl, cercetător la Universitatea Florida. ”Plantele utilizau procese epigenetice pentru a-și modifica genomul și a prospera în spațiu. În APEX-04, am întrerupt capacitatea unei plante de a face acele schimbări epigenetice, pentru a vedea dacă aceste plante suferă mai mult stres în spațiu, iar răspunsul a fost pozitiv. Asta este nu doar o confirmare că se întâmplă ci este important și faptul că se întâmplă în spațiul cosmic.”
Atunci când plantele experimentează medii neobișnuite, ele își modifică tiparele de expresie ale genelor. Utilizând procesele epigenetice pentru marcarea genelor este pregătită pentru următoarea generație pentru întâlnirea cu acest mediu. Un tip de proces epigenetic pe care cercetătorii îl pot detecta este metilarea, adăugarea sau înlăturarea unui grup metilic (CH3) în ADN, predominant acolo unde bazele C survin consecutiv.
”Un model specific de metilare ne arată care sunt genele pe care planta le consideră importante pentru a supraviețui în spațiu”, afirmă Ferl. ”Folosind aceste informații, am putea să reproducem plante mai bine activate pentru spațiu, la fel cum putem reproduce plante mai bine adaptate pentru medii cu concentrație mare de sare pe Terra”.
Următorul pas, a adăugat, este să ne întrebăm dacă acei markeri persistă de-a lungul generațiilor. De fapt, o zonă fierbinte a studiului este dacă epigenetica trece la generațiile următoare sau, după cum spune Wallace, dacă mama care are o perdea peste fereastră o lasă moștenire urmașilor.
”În experimentul următorului zbor spațial, vom testa dacă modificările epigenetice induse de zborul spațial într-o generație de Arabidopsis sunt moștenite de următoarea”, spune cercetătorul Universității Florida, Anna Lisa Paul, co-investigator. ”Marea întrebare este dacă un epigenom moștenit conferă un avantaj viitoarei generații de plante cultivate în spațiu. Asta sperăm să determinăm.”
Sunt necesare mai multe cercetări despre epigenetică în spațiu. ”Este genul de muncă cu mare prioritate”, a spus Ferl. ”Iar acum, avem capacități pentru începe să facem aceste studii la o scară mai mare, cum ar fi abilitatea de a secvenționa ADN-ul în spațiu.”
În timp ce modificările în nivelul ADN al organismelor expuse în spațiu au fost din totdeauna prezente, explică Wallace, nu am avut din totdeauna abilitatea de a le observa.
Majoritatea secvențiatorilor ADN tradiționali nu oferă acel nivel necesar de informație fără prelucrarea prealabilă a eșantionului, dar un instrument de Stația Spațială Internațională, numit MinION, poate asta. Putem cultiva organismele la bord și să urmărim schimbări în tiparele de metilare, de exemplu, fără a fi nevoie să remediem sau să înghețăm proba, procese care ar putea ele însele să modifice lucrurile. Putem obține un instantaneu în timp real, care să ne ajute să definim aceste modificări așa cum se produc și, eventual, modul în care acestea sunt transmise.
În cele din urmă, epigenetica ar putea ajuta oamenii de știință să pună perdele peste ferestrele care au nevoie de ele și să le elimine acolo unde nu sunt necesare.
Sursa: NASA.gov; By Melissa Gaskill; With: International Space Station Program Research Office, Johnson Space Center; Credit Foto: Anna Lisa Paul, Universitatea Florida (Legendă: Experimente avansate cu plante (APEX-03-2) investighează modificările genetice în Arabidopsis, în condiții de microgravitație); Traducere și adaptare: Crișan Petru Ciprian
