НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
космического эксперимента «Мутагенез»
1. Сущность исследуемой проблемы
Увеличение длительности и сложности космических экспедиций обусловливает необходимость совершенствования методов отбора индивидуумов, потенциально устойчивых к воздействию экстремальных факторов среды. Накоплено большое количество фактов, свидетельствующих о том, что адаптивность биологических объектов к неблагоприятным воздействиям генетически детерминирована. В настоящее время причины индивидуальной вариабельности, также как и факторы, индуцирующие мутагенез во время космического полета, изучены далеко не полностью.
2. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время
Мутации в подавляющем большинстве случаев негативным образом отражаются на состоянии живых объектов. Многочисленные исследования с участием космонавтов и эксперименты с модельными организмами продемонстрировали возрастание темпов мутационного процесса в условиях космического полета. В то время как у человека выявлена корреляция с поглощенными дозами ионизирующего излучения, у классического объекта генетических исследований плодовой мушки D. melanogaster наблюдаемые после космического полета эффекты характеризуются противоречивостью. Также остается вопрос, каким образом космический полет может вызывать мутации у дрозофил, более чем в 100 раз превосходящих человека в отношении устойчивости к мутагенному воздействию радиации. Наши исследования, проведенные с дрозофилами в полете на МКС, показали, что сильным фактором, влияющим на частоту возникновения мутаций в космическом полете, является экологический стресс, который может также маскировать эффекты других факторов космического полета.
Нарушения структуры ДНК могут проявляться в повреждениях нуклеиновых оснований, углеводных компонентов, одно - и двунитевых разрывах, причем в случае ошибок репарации последние являются источником генетической нестабильности и могут быть летальными для клетки. Образование двойных разрывов ДНК используется как индикатор интоксикации клетки или предиктор ее гибели.
D. melanogaster и C. elegance находят широкое применение в качестве модельных организмов с целью исследования функциональной роли генов и систем генов человека, что объясняется наличием у них большого числа генов-ортологов, то есть гомологичных генов, восходящих к общему предшественнику и приобретшими отличия в результате независимой эволюции. Особенностью нематод является возможность получения потомства при самооплодотворении, что обеспечивает постоянство генотипа в последовательных поколениях и упрощает выполнение генетических тестирований.
Экзогенные факторы, вызывающие образование мутаций, могут иметь как физическую (например, радиация), так и химическую природу. В космическом полете биологические объекты испытывают комплексное воздействие факторов микрогравитации, ионизирующего излучения, вибраций, которые могут сочетаться с измененным составом атмосферы. С целью дифференцированной оценки вклада отдельных факторов космического полета могут быть проведены дополнительные эксперименты, такие, как экспонирование биообъектов ионизирующему излучению в наземных условиях в дозах, соответствующих расчетным параметрам радиационной обстановки на орбите МКС. Для выяснения роли гравитационной составляющей в появлении мутационных нарушений часть особей может быть помещена в центрифугу, создающую условия 1G. В наземном эксперименте могут быть имитированы присутствующие на борту вибрации. В результате выполнения летных и дополнительных наземных «сателлитных» серий эксперимента также может быть подтвержден или опровергнут синергизм мутационных эффектов факторов космического полета.
Для получения данных о влиянии на возникновение мутаций у исследуемых биообъектов радиационной компоненты и динамических факторов космического полета важно поддерживать оптимальные для их развития температурные условия, для чего летная аппаратура должна быть снабжена средствами термостатирования контейнеров с дрозофилами и нематодами. В период проведения эксперимента должна быть обеспечена циркуляция воздуха в культиваторе и подача воздуха в культиватор с тем, чтобы компенсировать потребление кислорода биообъектами. В нескольких сериях КЭ также предусматривается культивирование биообъектов в герметичных камерах с кислородно-азотной средой без содержания примесей.
3. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС.
В реальном космическом полете на биологические системы воздействует уникальный комплекс средовых факторов, которые трудно или невозможно воспроизвести в наземных условиях; в особой мере это касается микрогравитации. Отсюда следует, что для получения достаточно полной картины изменений генетических и биологических параметров под влиянием длительного космического полета необходимо экспонирование исследуемых объектов на борту орбитальной станции.
4. Описание КЭ
В космическом эксперименте «Мутагенез» предусматривается использование до 4 линий Drosophila melanogaster и до 10 линий нематоды Caenorhabditis elegans. На МКС контейнеры с выборками дрозофил и нематод будут размещаться в термостатируемом модуле при температуре 22оС или 25оС. 2 - 4 линии дрозофилы и столько же линий нематоды, помимо выращивания в стационарных условиях, будут также помещены в центрифугу, в которой будет имитирована земная сила тяжести. Параллельно с полетным экспериментом проводятся наземные синхронные исследования. После возвращения космического аппарата на Землю у биообъектов будут определены показатели мутагенеза и профиль транскрибируемых генов. Функциональные тестирования послеполетных выборок дрозофил будут проведены для оценки воздействия на мушек экологических факторов полета.
5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Исследования темпов мутационного процесса у модельных организмов в контролируемых условиях обитания с возможностью компенсации воздействия невесомости ранее не проводились.
6. Ожидаемые научные результаты, их предполагаемое использование
Наличие комплекса термостатируемой аппаратуры с возможностью создания условий 1G позволит дифференцировать влияние факторов космического полета на появление мутаций у модельных биообъектов. При экспонировании условиям космического полета нескольких линий дрозофилы и нематоды с различными генотипами могут быть выявлены связи между генетическими параметрами биообъектов и устойчивостью к мутационным нарушениям.
В результате исследований предполагается получить данные о влиянии факторов космического полета и/или их синергического действия на интенсивность мутационного процесса у дрозофил, а также идентифицировать гены, потенциально значимые для устойчивости к мутагенным факторам космического полета, и оценить значение их вариабельности.
7. Ожидаемый эффект от выполнения КЭ, методика его оценки
Выполнение эксперимента позволит выявить факторы, вызывающие мутационные изменения у модельных биообъектов во время орбитального космического полета.
Литература
1., , Связь индуцированной условиями космического полета частоты доминантных летальных мутаций с условиями аллозимной гетерозиготности популяций Drosophila melanogaster. Доклады Академии наук. 1998. Т. 361. № 5, С. 709-711.
2., Левинских МА., , Биологические эксперименты в пилотируемых космических полетах. Космическая медицина и биология. Воронеж. Научная книга. 2013.
3. Larina O. N., Bekker A. M. Dominant lethals in Drosophila melanogaster natural populations flown on board ISS. 40th COSPAR Scientific Assembly, 2 - 10 August 2014, Moscow, Russia
