днк в космосе

Источник изображения: Nanoporetech.com

ДНК — молекула, которая хранит генетические инструкции для развития и функционирования всех организмов на Земле. Универсальность ДНК делает её маркером для поиска жизни за пределами нашей планеты — или молекул с похожими свойствами. В случае существования внеземных форм жизни, они могут использовать схожие биохимические механизмы, похожие на земные. Например, на Марсе, где миллиарды лет назад были жидкие реки и озёра, гипотетические микроорганизмы могли оставить следы ДНК или её аналогов. Более того, гипотеза панспермии допускает, что жизнь могла быть занесена на Землю метеоритами — а значит, её «кирпичики» могут быть хаотично распространены во Вселенной. Обнаружение таких молекул стало бы доказательством того, что жизнь — не уникальное земное явление.

При этом космос — враждебная среда, в которой радиация разрушает сложные органические соединения. На космических кораблях вибрации при запуске ракет и работе двигателей создают помехи для чувствительных приборов, а низкая гравитация может влиять на физические процессы, такие как движение жидкостей в микрочипах.

Однако учёные из MIT проверили, как нанопоровый секвенатор MinION (рисунок 1) справится с условиями микрогравитации во время параболических полётов. Оказалось, что даже при сильной тряске и гравитации, имитирующей марсианскую, устройство успешно считывало ДНК вируса. Это доказывает: технологии, созданные для Земли, могут работать и в космосе, открывая путь для поиска жизни прямо на других планетах.

Источник изображения: Naked-Science.ru

Чтобы проверить, как ДНК ведёт себя в условиях других планет, учёные из MIT провели необычный эксперимент на борту самолёта G-Force One, способного создавать кратковременную невесомость и имитировать гравитацию Марса — 0.38 g, а затем Европы — 0.13 g (рисунок 2). На земле гравитация равна 1g, или же ускорение свободного падения занимает 9.8м/с2. Во время параболических манёвров, когда самолёт на 20–25 секунд «падает», создавая эффект сниженной гравитации, исследователи использовали портативный секвенатор MinION. Его задача — прочитать ДНК бактериофага лямбды, выбранного как безопасный аналог гипотетических внеземных микроорганизмов. Главные вопросы: справится ли прибор с вибрациями, характерными для запуска ракет, и даст ли точные данные в условиях, где гравитация в разы слабее земной.

Рисунок 2. Как создают космические условия на Земле. На графике показан маневр самолета, при котором на высоте 34 000 футов угол наклона достигает 45°, создавая кратковременную гипергравитацию, затем невесомость и снова гипергравитацию. Именно в таких условиях ученые изучают, как ДНК реагирует на слабую гравитацию и стресс — ключевые факторы для будущих миссий на Марс и поиска жизни за пределами Земли.

Несмотря на тряску, сравнимую с вибрациями при старте ракеты, качество секвенирования почти не пострадало. MinION успешно прочитал 18 233 фрагмента ДНК в полёте, причём точность была близка к земным тестам — 87.8% против 89.7%. Даже в невесомости, где среднее ускорение составляло 0.041 g, скорость прохождения ДНК через нанопоры замедлилась всего на 0.125 мс — ничтожная погрешность для поиска жизни.

Эксперимент также раскрыл любопытный парадокс. Худшее качество данных оказалось не в невесомости, а в фазах гипергравитации — 1.8 g, когда самолёт резко набирал высоту. Однако разница была минимальной — всего 0.4 балла по шкале качества. Учёные связывают это с временным стрессом для белковых нанопор, которые всё же восстановились за секунды. Такой результат даёт надежду: даже в экстремальных условиях ДНК можно расшифровать, а значит — найти ответ на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной.

Помимо исследования ДНК на борту самолета, имитирующем условия микрогравитации, сборка генетического материала стала возможной прямиком на Международной космической станции. В условиях, где связь с Землей ограничена, а экипаж подвергается повышенным рискам в виде радиации, стресса, замкнутой экосистемы, критически важно уметь оперативно диагностировать заболевания и контролировать микробную среду. Традиционные методы анализа ДНК требуют громоздкого оборудования и времени, но миниатюрный секвенатор MinION весом 100 грамм и мощностью 1 Вт может поместиться в карман любого астронавта.

Для эксперимента учёные использовали смесь ДНК трёх организмов — бактерии E. coli, бактериофага лямбда, и митохондриальной ДНК мыши. На Земле проводили подготовку образцов и их заморозку, на МКС их размораживали и загружали в MinION. За 6 месяцев провели 9 сеансов секвенирования, во время которых приборы работали стабильно, несмотря на вибрации от оборудования станции. Самый длинный прочитанный фрагмент составил 72 619 пар оснований — рекорд для космических условий. Ученым удалось собрать прочитанные геномы в единый комплект длиной 4.6 млн пар оснований с точностью 98.6%, что делает возможным диагностику бактериальных и вирусных заболеваний на борту космического корабля.

Оба исследования доказали, что технологии секвенирования ДНК не только работоспособны в космосе, но и конкурентоспособны с земными аналогами. Нанопоровый секвенатор MinION успешно справился с экстремальными условиями — от марсианской гравитации до вибраций МКС, и позволил получить данные, достаточные для целостной сборки геномов. Можно оперативно выявлять патогены, изучать мутации в условиях космоса и искать следы жизни без зависимости от земных лабораторий.

Следующий шаг — переход от экспериментов к рутинному использованию. Для этого предстоит повысить точность секвенирования, разработать автономные системы анализа данных на борту, и создать радиационно-устойчивые секвенаторы для миссий к Европе, где уровень радиации в 500 раз выше земного. Эти технологии станут основой для межпланетной биобезопасности, от мониторинга микробиома марсианских баз до расшифровки геномов гипотетических внеземных организмов.