На Международной космической станции продолжается полет российских космонавтов и астронавтов НАСА, участников 70-й длительной экспедиции. Длительное пребывание в космосе вызывает в организме человека физические изменения. Например, ухудшается состояние костей и мышц. Поэтому здоровье космонавтов пристально изучается медиками и учёными.
На МКС исследуют коррекцию лекарствами минерального обмена у космонавтов: эксперимент «Коррекция» (исследование эффективности фармакологической коррекции минерального обмена в условиях длительного воздействия микрогравитации); эксперимент «Взаимодействие-2» (изучение закономерностей поведения экипажа в длительном космическом полете); эксперимент «Дисперсия» (формирование и поведение жидкофазных дисперсий в условиях микрогравитации); эксперимент «Сценарий» (отработка методов оценки развития катастрофических и потенциально опасных явлений); эксперимент «Сепарация» (испытания и отработка в условиях микрогравитации системы регенерации воды из урины); эксперимент «Нейроиммунитет» (оценка влияния стресса на иммунитет и системы стресс-реактивности в космосе); эксперимент «Кардиовектор» (получение новой научной информации о роли правых и левых отделов сердца в приспособлении системы кровообращения к условиям длительного космического полета).
Изучение ДНК в космосе
Длительное пребывание в космосе подвергает людей воздействию радиации, которая может повредить дезоксирибонуклеиновую кислоту или ДНК, несущую генетическую информацию, необходимую для нашего развития и функционирования. Условия в космосе также влияют на то, как тело восстанавливает такие повреждения, потенциально усугубляя риск. Исследования на Международной космической станции изучают повреждение и восстановление ДНК с использованием инструментов и методов секвенирования, анализа и даже редактирования ДНК.
В апреле 2016 года астронавт ЕКА (Европейского космического агентства) Тим Пик впервые амплифицировал ДНК с помощью отправленного на станцию первого устройства полимеразной цепной реакции (ПЦР) под названием миниПЦР. Важным шагом в процессе анализа генетического материала является амплификация, подразумевающая создание нескольких копий участка ДНК.
Астронавт НАСА Кейт Рубин впервые секвенировала ДНК в космосе в августе 2016 года с помощью коммерческого готового устройства под названием MinION. В августе 2017 года астронавт НАСА Пегги Уитсон объединила миниПЦР и MinION, чтобы идентифицировать первый неизвестный микроб со станции. В августе 2018 года астронавт НАСА Рикки Арнольд впервые применил метод секвенирования ДНК «мазок для секвенирования», который устраняет необходимость культивирования бактерий. перед анализом.
Еще одной важной вехой, достигнутой в мае 2019 года, стало первое редактирование генов CRISPR на станции, выполненное астронавтом НАСА Кристиной Кох. CRISPR расшифровывается как Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic. Это короткие повторяющиеся последовательности ДНК, обнаруженные у бактерий, между которыми находятся последовательности вирусной ДНК.
Бактерии транскрибируют последовательности вирусной ДНК в РНК, которая затем направляет определенный белок к вирусной ДНК и разрезает ее, создавая линию защиты от вторжения вирусов. Исследователи могут создать направляющую РНК, специфичную для любой части генома. Это означает, что CRISPR можно использовать для создания точных разрывов в известном месте гена, что приводит к упрощению редактирования гена.
«Гены в космосе-6» использовали CRISPR для успешной генерации разрывов в ДНК обычных дрожжей, возможности восстановления разрывов и секвенирования исправленной ДНК, чтобы определить, был ли восстановлен ее первоначальный порядок во время космического полета. Организмы восстанавливают разрывы ДНК одним из двух основных способов. Один метод может добавлять или удалять основания, а другой воссоединяет цепи без изменения последовательности ДНК. Понимание того, является ли один из видов ремонта менее подверженным ошибкам, имеет важные последствия для защиты членов экипажа.
Астронавт НАСА Кристина Кох работает над экспериментом «Гены в космосе-6»
«Гены в космосе-5» представляют собой важный шаг на пути к быстрому, безопасному и экономически эффективному способу исследования иммунной системы во время космического полета. Это исследование также предоставило доказательство концепции одновременной амплификации нескольких последовательностей ДНК в космосе, расширяя возможности исследований в полете и мониторинга здоровья.
Гены в космосе-10 подтвердили метод измерения и анализа длины фрагментов ДНК, известных как теломеры, с использованием флуоресценции. Теломеры, генетические структуры в виде колпачков на концах хромосом, которые защищают их от повреждений, с возрастом укорачиваются, но, как было обнаружено, удлиняются в космосе. Анализ длины теломер может помочь определить механизм этого эффекта.
Результаты исследования также могут дать возможность измерить ДНК и диагностировать генетические медицинские проблемы во время космического полета. Отправка образцов ДНК обратно на Землю для анализа может привести к их деградации и невозможна для будущих длительных миссий. Понимание того, почему теломеры удлиняются в космосе, также может привести к лучшему пониманию их роли в старении человека.
Наличие целой молекулярной лаборатории в космосе значительно расширяет возможности ученых. Возможность анализировать ДНК, изучать, как она повреждается и восстанавливается в космосе, а также вносить в нее конкретные изменения, позволяет проводить более сложные исследования. Идентификация неизвестных организмов и изменений в известных является ключом к обеспечению безопасности членов экипажа в будущих миссиях.
Поведение огня в космосе
НАСА недавно завершило последнюю миссию своего эксперимента по пожарной безопасности космического корабля, или «Саффайр», положив конец восьмилетней серии исследований, которые дали представление о поведении огня в космосе. Последний эксперимент, Saffire-VI, был запущен на Международную космическую станцию в августе 2023 года и завершил свою миссию 9 января, когда космический корабль Northrop Grumman Cygnus, благополучно сгорел во время запланированного входа в атмосферу Земли.
Доктор Дэвид Урбан, главный исследователь, и доктор Гэри Рафф, руководитель проекта в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде, возглавляли проект Saffire на северо-востоке Огайо с момента его первого запуска в 2016 году. На протяжении всей серии экспериментов исследователи собирали данные, которые НАСА будет использовать. для повышения безопасности миссий и информирования о будущих конструкциях космических кораблей и скафандров.
«Какой силы должен быть пожар, чтобы экипажу стало плохо?» — сказал Урбан. «Подобная работа выполняется для любого другого обитаемого сооружения здесь на Земле – зданий, самолетов, поездов, автомобилей, шахт, подводных лодок, кораблей – но мы не проводили подобных исследований для космических кораблей до Saffire».
Как и предыдущие эксперименты Saffire, Saffire-VI проходил внутри блока необитаемого космического корабля Cygnus, который уже покинул космическую станцию, обеспечивая безопасность орбитальной лаборатории и более репрезентативную среду полета. Однако эта последняя версия эксперимента была уникальной из-за более высокой концентрации кислорода и более низкого давления, создаваемого в испытательной установке для моделирования условий внутри космического корабля с экипажем.
В ходе 19 экспериментов Saffire-VI команда НАСА и ее коллеги из Northrop Grumman внесли различные коррективы в условия воздуха. Затем они зажгли пламя на таких материалах, как плексиглас, хлопок, номекс и твердая граница воспламеняемости на низкоскоростных тканях. Проволока с шариками внутри устройства воспламенила материалы. «Установка потока Saffire представляет собой аэродинамическую трубу. Мы проталкиваем через него воздух», — сказал Рафф. «Как только условия испытаний заданы, мы пропускаем электрический ток через тонкий провод, и материалы воспламеняются».
Камеры внутри позволили команде наблюдать за пламенем, в то время как удаленные датчики снаружи блока Saffire собирали данные о том, что происходило в автомобиле Cygnus. Изображения и информация были собраны в режиме реального времени, а затем отправлены на Землю для анализа учеными. «У вас есть скорость выделения тепла и скорость выделения продуктов сгорания», — сказал Рафф. «Вы можете использовать их в качестве исходных данных для модели и предсказать, что произойдет с автомобилем».
В следующем десятилетии исследовательских и научных миссий астронавты будут летать глубже в космос и в места, которые еще предстоит исследовать. Хотя эксперименты Saffire были прекращены, НАСА извлекло ценные уроки и собрало горы данных о поведении пожаров, которые помогут агентству спроектировать более безопасные космические корабли.
«Дополнение интегрированных протоколов исследований человека» или CIPHER
Исследования неврологических органоидов, роста растений и изменений в жидкостях организма входят в число научных исследований, которые астронавты НАСА Мэтью Доминик, Майкл Барратт, Джанетт Эппс и Трейси К. Дайсон будут помогать поддерживать на борту Международной космической станции в рамках 71-й экспедиции. Барратт присоединяется к группе астронавтов, участвующих в серии экспериментов «Дополнение интегрированных протоколов исследований человека» или CIPHER, которые помогают ученым узнать, как длительное пребывание в космосе меняет человеческое тело.
Члены экипажа планируют запустить космическую станцию в феврале и марте. Подробности о некоторых работах, запланированных во время предстоящей экспедиции на борту лаборатории микрогравитации ниже.
Органоидные модели человеческого мозга для нейродегенеративных заболеваний и открытия лекарств (HBOND) изучают механизмы нейровоспаления, частого признака нейродегенеративных заболеваний. Исследователи создают органоиды, используя ИПСК (индуцированные плюрипотентные стволовые клетки), полученные от пациентов, страдающих болезнью Паркинсона и первично-прогрессирующим рассеянным склерозом.
Шестое исследование органоидов на космической станции, финансируемое Национальным фондом стволовых клеток, HBOND, впервые включает в себя ИПСК, материал от больных Альцгеймером, и тестирование эффектов разрабатываемых препаратов для лечения нейровоспаления. Результаты могут помочь улучшить диагностику, дать представление о последствиях старения, ускорить открытие лекарств и определить терапевтические цели для пациентов, страдающих нейродегенеративными заболеваниями. Органоидные модели также могут дать возможность предсказать, как продолжительный космический полет повлияет на мозг, и поддержать разработку контрмер.
Органоиды космического мозга состоят из клеток людей с болезнью Паркинсона и первично-прогрессирующим рассеянным склерозом. Нью-Йоркский научно-исследовательский институт стволовых клеток
Растения могут служить источником пищи и обеспечивать другие услуги жизнеобеспечения в долгосрочных миссиях на Луну и Марс. Исследование реакции растений на стрессы, вызванные микрогравитацией и сильным ультрафиолетовым излучением в космосе (УФ-В растений) изучает, как стресс от микрогравитации, УФ-излучения и их комбинации влияет на растения на молекулярном, клеточном и целостном уровнях организма. Результаты могут улучшить понимание роста растений в космосе и способствовать совершенствованию технологий выращивания растений для будущих миссий.
Оборудование экспериментальной установки (PEU) для исследования растений UV-B. НАСА
Невесомость заставляет жидкости в организме двигаться к голове, что может вызвать изменения в структуре глаз и зрении, известные как нейроокулярный синдром, связанный с космическим полетом (SANS), а также другие проблемы со здоровьем.
Смягчение смещения жидкости вперед с помощью веноконстрикторных манжет на бедре во время космического полета исследует, могут ли манжеты для давления на бедро обеспечить простой способ противодействовать этому сдвигу жидкости в организме и помочь защитить астронавтов от SANS и других проблем в будущих миссиях на Луну и Марс. Манжеты на бедра также могут помочь в лечении или предотвращении проблем у пациентов на Земле, у которых есть состояния, вызывающие скопление жидкости в голове, такие как длительный постельный режим и болезни.
Arthrospira-C (Art-C), исследование ЕКА (Европейского космического агентства), анализирует, как цианобактерия Limnospira реагирует на условия космического полета и производит ли она такое же количество и качество кислорода и биомассы в космосе, как на Земле. Эти микроводоросли, также известные как спирулина, могут быть использованы для удаления выдыхаемого астронавтами углекислого газа, который может стать токсичным в закрытом космическом корабле, а также для производства кислорода и свежей пищи в рамках систем жизнеобеспечения в будущих миссиях.
Правильные прогнозы выхода кислорода и биомассы имеют решающее значение для проектирования систем жизнеобеспечения с использованием биопроцессов. Также было доказано, что спирулина обладает радиозащитными свойствами, и ее употребление в пищу может помочь защитить космических путешественников от космического излучения, а также сохранить здоровые ткани у пациентов, проходящих лучевое лечение на Земле.
Limnospira