Der Flug russischer Kosmonauten und NASA-Astronauten, Teilnehmer der 70. Langzeitexpedition, wird auf der Internationalen Raumstation fortgesetzt. Ein längerer Aufenthalt im Weltraum führt zu körperlichen Veränderungen im menschlichen Körper. Beispielsweise verschlechtert sich der Zustand von Knochen und Muskeln. Daher wird die Gesundheit von Astronauten von Ärzten und Wissenschaftlern genau untersucht.
Die Korrektur des Mineralstoffwechsels bei Astronauten mit Medikamenten wird auf der ISS untersucht: das „Korrektur“-Experiment (eine Studie zur Wirksamkeit der pharmakologischen Korrektur des Mineralstoffwechsels unter Bedingungen längerer Schwerelosigkeit); Experiment „Interaktion-2“ (Untersuchung der Verhaltensmuster der Besatzung während eines langfristigen Raumflugs); Experiment „Dispersion“ (Bildung und Verhalten von Flüssigphasendispersionen unter Schwerelosigkeitsbedingungen); Experiment „Szenario“ (Testmethoden zur Bewertung der Entwicklung katastrophaler und potenziell gefährlicher Phänomene); Experiment „Trennung“ (Testen und Testen eines Systems zur Regenerierung von Wasser aus Urin unter Schwerelosigkeitsbedingungen); Experiment „Neuroimmunität“ (Bewertung des Einflusses von Stress auf das Immunsystem und Stress-Reaktivitätssysteme im Weltraum); Experiment „Cardiovector“ (Gewinnung neuer wissenschaftlicher Informationen über die Rolle des rechten und linken Teils des Herzens bei der Anpassung des Kreislaufsystems an die Bedingungen eines langfristigen Weltraumflugs).
Untersuchung der DNA im Weltraum
Längere Aufenthalte im Weltraum setzen Menschen Strahlung aus, die Desoxyribonukleinsäure oder DNA schädigen kann, die die für unsere Entwicklung und Funktion notwendigen genetischen Informationen trägt. Die Bedingungen im Weltraum wirken sich auch darauf aus, wie der Körper solche Schäden repariert, was das Risiko möglicherweise verschärft. Bei der Forschung auf der Internationalen Raumstation werden DNA-Schäden und -Reparaturen mithilfe von Werkzeugen und Techniken zur Sequenzierung, Analyse und sogar Bearbeitung von DNA untersucht.
Im April 2016 amplifizierte der ESA-Astronaut Tim Peake (Europäische Weltraumorganisation) zum ersten Mal DNA mit dem ersten zur Station geschickten Polymerase-Kettenreaktionsgerät (PCR), dem miniPCR. Ein wichtiger Schritt bei der Analyse genetischen Materials ist die Amplifikation, bei der mehrere Kopien eines DNA-Abschnitts erstellt werden.
Die NASA-Astronautin Kate Rubin sequenzierte erstmals im August 2016 DNA im Weltraum mit einem kommerziellen Standardgerät namens MinION. Im August 2017 kombinierte die NASA-Astronautin Peggy Whitson miniPCR und MinION, um die erste unbekannte Mikrobe von der Station zu identifizieren. Im August 2018 entwickelte der NASA-Astronaut Ricky Arnold die DNA-Sequenzierungsmethode „Swab-to-Sequencing“, die die Notwendigkeit einer Bakterienkultur überflüssig macht. vor der Analyse.
Ein weiterer wichtiger Meilenstein im Mai 2019 war die erste CRISPR-Genbearbeitung auf der Station durch die NASA-Astronautin Christina Koch. CRISPR steht für Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic. Hierbei handelt es sich um kurze, sich wiederholende DNA-Sequenzen, die in Bakterien vorkommen, mit dazwischen liegenden viralen DNA-Sequenzen.
Die Bakterien transkribieren virale DNA-Sequenzen in RNA, die dann ein bestimmtes Protein zur viralen DNA leitet und diese schneidet, wodurch eine Verteidigungslinie gegen eindringende Viren entsteht. Forscher können Leit-RNA erstellen, die für jeden Teil des Genoms spezifisch ist. Dies bedeutet, dass CRISPR verwendet werden kann, um präzise Brüche an einer bekannten Stelle in einem Gen zu erzeugen, was zu einer einfacheren Genbearbeitung führt.
Genes in Space 6 nutzte CRISPR, um erfolgreich Brüche in der DNA gewöhnlicher Hefe zu erzeugen, die Reparatur der Brüche zu ermöglichen und die reparierte DNA zu sequenzieren, um festzustellen, ob ihre ursprüngliche Ordnung während des Raumflugs wiederhergestellt wurde. Organismen reparieren DNA-Brüche auf eine von zwei Arten. Eine Methode kann Basen hinzufügen oder entfernen, während die andere Stränge wieder zusammenfügt, ohne die DNA-Sequenz zu ändern. Zu verstehen, ob eine Reparaturart weniger fehleranfällig ist, hat wichtige Auswirkungen auf den Schutz der Besatzung.
Die NASA-Astronautin Christina Koch arbeitet am Experiment Genes in Space 6
Genes in Space 5 stellt einen wichtigen Schritt hin zu einer schnellen, sicheren und kostengünstigen Möglichkeit zur Untersuchung des Immunsystems während der Raumfahrt dar. Diese Studie lieferte auch einen Machbarkeitsnachweis für die gleichzeitige Amplifikation mehrerer DNA-Sequenzen im Weltraum und erweiterte damit die Möglichkeiten der Flugforschung und Gesundheitsüberwachung.
Genes in Space-10 validierte eine Methode zur Messung und Analyse der Länge von DNA-Fragmenten, sogenannten Telomeren, mithilfe von Fluoreszenz. Telomere, die kappenartigen genetischen Strukturen an den Enden der Chromosomen, die sie vor Schäden schützen, verkürzen sich mit zunehmendem Alter, es wurde jedoch festgestellt, dass sie sich im Weltraum verlängern. Die Analyse der Telomerlänge kann dabei helfen, den Mechanismus dieses Effekts zu bestimmen.
Die Ergebnisse der Studie könnten auch die Möglichkeit bieten, DNA zu messen und genetische medizinische Probleme während der Raumfahrt zu diagnostizieren. Das Zurückschicken von DNA-Proben zur Analyse zur Erde würde sie abbauen und wäre für zukünftige Langzeitmissionen nicht möglich. Das Verständnis, warum sich Telomere im Weltraum verlängern, könnte auch zu einem besseren Verständnis ihrer Rolle beim Altern des Menschen führen.
Ein komplettes molekulares Labor im Weltraum zu haben, erweitert die Fähigkeiten von Wissenschaftlern erheblich. Die Fähigkeit, DNA zu analysieren, zu untersuchen, wie sie im Weltraum beschädigt und repariert wird, und spezifische Änderungen daran vorzunehmen, ermöglicht eine komplexere Forschung. Die Identifizierung unbekannter Organismen und Veränderungen bekannter Organismen ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit der Besatzungsmitglieder bei zukünftigen Missionen.
Verhalten von Feuer im Weltraum
Die NASA hat kürzlich die letzte Mission ihres Space Shuttle Fire Experiments (Saffire) abgeschlossen und damit eine achtjährige Reihe von Studien abgeschlossen, die Einblicke in das Verhalten von Feuer im Weltraum lieferten. Das neueste Experiment, Saffire-VI, wurde im August 2023 zur Internationalen Raumstation gestartet und beendete seine Mission am 9. Januar, als die Raumsonde Northrop Grumman Cygnus bei ihrem geplanten Wiedereintritt in die Erdatmosphäre sicher verglühte.
Dr. David Urban, Hauptforscher, und Dr. Gary Ruff, Projektmanager am Glenn Research Center der NASA in Cleveland, haben das Saffire-Projekt im Nordosten Ohios seit seinem ersten Start im Jahr 2016 geleitet. Während der gesamten Experimentreihe sammelten die Forscher Daten, die die NASA nutzen würde. um die Missionssicherheit zu verbessern und zukünftige Designs von Raumfahrzeugen und Raumanzügen zu informieren.
„Wie stark muss ein Feuer sein, damit sich die Besatzung krank fühlt?“ sagte Urban. „Ähnliche Arbeiten werden für jede andere bewohnbare Struktur hier auf der Erde durchgeführt – Gebäude, Flugzeuge, Züge, Autos, Minen, U-Boote, Schiffe – aber wir hatten vor Saffire keine ähnliche Forschung für Raumfahrzeuge durchgeführt.“
Wie frühere Saffire-Experimente fand Saffire-VI in einem Block eines unbewohnten Cygnus-Raumschiffs statt, das die Raumstation bereits verlassen hatte, was die Sicherheit des umlaufenden Labors und eine repräsentativere Flugumgebung gewährleistete. Diese neueste Version des Experiments war jedoch einzigartig, da in der Testanlage eine höhere Sauerstoffkonzentration und ein niedrigerer Druck erzeugt wurden, um die Bedingungen im Inneren eines bemannten Raumfahrzeugs zu simulieren.
Im Verlauf von 19 Saffire-VI-Experimenten nahmen das NASA-Team und seine Kollegen von Northrop Grumman verschiedene Anpassungen der Luftbedingungen vor. Anschließend entzündeten sie Flammen auf Materialien wie Plexiglas, Baumwolle, Nomex und schwerentflammbaren Stoffen mit niedriger Geschwindigkeit. Der Draht mit Kugeln im Inneren des Geräts entzündete die Materialien. „Die Saffire-Flow-Anlage ist ein Windkanal. Wir drücken Luft hindurch“, sagte Ruff. „Sobald die Testbedingungen festgelegt sind, leiten wir einen elektrischen Strom durch einen dünnen Draht und die Materialien entzünden sich.“
Mit Kameras im Inneren konnte das Team die Flammen beobachten, während Fernsensoren außerhalb der Saffire-Einheit Daten darüber sammelten, was im Cygnus-Fahrzeug geschah. Die Bilder und Informationen wurden in Echtzeit gesammelt und dann zur Analyse durch Wissenschaftler zur Erde zurückgesendet. „Es gibt die Geschwindigkeit der Wärmefreisetzung und die Geschwindigkeit der Freisetzung von Verbrennungsprodukten“, sagte Ruff. „Sie können das als Input für das Modell verwenden und vorhersagen, was mit dem Auto passieren wird.“
Im nächsten Jahrzehnt der Erkundungs- und Wissenschaftsmissionen werden Astronauten tiefer in den Weltraum und zu Orten fliegen, die noch erforscht werden müssen. Obwohl die Saffire-Experimente abgebrochen wurden, hat die NASA wertvolle Erkenntnisse gewonnen und Berge von Daten zum Brandverhalten gesammelt, die der Agentur bei der Entwicklung sichererer Raumfahrzeuge helfen werden.
Ergänzung von Integrated Human Research Protocols oder CIPHER
Die Erforschung neurologischer Organellen, Pflanzenwachstum und Veränderungen in Körperflüssigkeiten gehört zu den wissenschaftlichen Forschungsarbeiten, die die NASA-Astronauten Matthew Dominic, Michael Barratt, Jeanette Epps und Tracy K. Dyson im Rahmen der Expedition 71 an Bord der Internationalen Raumstation unterstützen werden. Barratt schließt sich einer Gruppe von Astronauten an, die an der Complementation of Integrated Protocols for Human Research (CIPHER)-Experimentreihe teilnehmen, die Wissenschaftlern dabei hilft, herauszufinden, wie lange Zeiträume im Weltraum den menschlichen Körper verändern.
Besatzungsmitglieder planen, die Raumstation im Februar und März zu starten. Nachfolgend finden Sie Einzelheiten zu einigen Arbeiten, die während der bevorstehenden Expedition an Bord des Mikrogravitationslabors geplant sind.
Human Brain Organoid Models for Neurodegenerative Diseases and Drug Discovery (HBOND) untersucht die Mechanismen der Neuroinflammation, einem häufigen Merkmal neurodegenerativer Erkrankungen. Forscher stellen Organoide mithilfe von iPSCs (induzierten pluripotenten Stammzellen) her, die von Patienten gewonnen werden, die an der Parkinson-Krankheit und primär progressiver Multipler Sklerose leiden.
Die sechste Organoidstudie zur Raumstation, finanziert von der National Stem Cell Foundation, HBOND, ist die erste, die iPSCs, Material von Alzheimer-Patienten, einbezieht und die Wirkung von in der Entwicklung befindlichen Medikamenten zur Behandlung von Neuroinflammationen testet. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Diagnostik zu verbessern, Erkenntnisse über die Auswirkungen des Alterns zu gewinnen, die Entdeckung von Medikamenten zu beschleunigen und therapeutische Angriffspunkte für Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen zu identifizieren. Organoidmodelle können auch die Möglichkeit bieten, vorherzusagen, wie sich ein Langzeit-Raumflug auf das Gehirn auswirkt, und die Entwicklung von Gegenmaßnahmen unterstützen.
Die Organoide des Weltraumhirns werden aus Zellen von Menschen mit Parkinson-Krankheit und primär progressiver Multipler Sklerose hergestellt. New Yorker Stammzellenforschungsinstitut
Pflanzen könnten auf Langzeitmissionen zum Mond und Mars als Nahrungsquelle dienen und andere lebenserhaltende Dienste leisten. Forschung zu Pflanzenreaktionen auf Stress, der durch Schwerelosigkeit und hohe ultraviolette Strahlung im Weltraum (Pflanzen-UV-B) verursacht wird, untersucht, wie sich Stress durch Schwerelosigkeit, UV-Strahlung und eine Kombination aus beiden auf Pflanzen auf molekularer, zellulärer und ganzkörperlicher Ebene auswirkt. Die Ergebnisse könnten das Verständnis des Pflanzenwachstums im Weltraum verbessern und dazu beitragen, Pflanzenanbautechnologien für zukünftige Missionen zu verbessern.
Experimentelle Geräteausrüstung (PEU) für die UV-B-Pflanzenforschung. NASA
Schwerelosigkeit führt dazu, dass Flüssigkeiten im Körper in Richtung Kopf wandern, was zu Veränderungen der Augenstruktur und des Sehvermögens, dem sogenannten raumfahrtassoziierten neurookularen Syndrom (SANS), sowie anderen Gesundheitsproblemen führen kann.
Mit der Methode „Abschwächung der vorderen Flüssigkeitsverschiebung mithilfe venokonstriktorischer Oberschenkelmanschetten während der Raumfahrt“ wird untersucht, ob Oberschenkeldruckmanschetten eine einfache Möglichkeit sein könnten, dieser Flüssigkeitsverschiebung im Körper entgegenzuwirken und dabei zu helfen, Astronauten bei zukünftigen Missionen zum Mond und zum Mars vor SANS und anderen Problemen zu schützen. Oberschenkelmanschetten können auch zur Behandlung oder Vorbeugung von Problemen bei Patienten auf der Erde beitragen, die an Erkrankungen leiden, die zu einer Flüssigkeitsansammlung im Kopf führen, wie etwa längere Bettruhe oder Krankheiten.
Arthrospira-C (Art-C), eine Studie der ESA (Europäische Weltraumorganisation), analysiert, wie das Cyanobakterium Limnospira auf Raumfahrtbedingungen reagiert und ob es im Weltraum die gleiche Menge und Qualität an Sauerstoff und Biomasse produziert wie auf der Erde. Diese Mikroalgen, auch Spirulina genannt, könnten verwendet werden, um von Astronauten ausgeatmetes Kohlendioxid zu entfernen, das in einem geschlossenen Raumschiff giftig werden kann, und um Sauerstoff und frische Nahrung als Teil von Lebenserhaltungssystemen auf künftigen Missionen zu produzieren.
Korrekte Vorhersagen der Sauerstoff- und Biomasseausbeute sind entscheidend für die Gestaltung von Lebenserhaltungssystemen, die Bioprozesse nutzen. Spirulina hat nachweislich auch strahlenschützende Eigenschaften, und der Verzehr von Spirulina kann dazu beitragen, Raumfahrer vor kosmischer Strahlung zu schützen und gesundes Gewebe bei Patienten zu erhalten, die sich auf der Erde einer Strahlenbehandlung unterziehen.
Limnospira