Бактериальный фермент, копирующий ДНК, может совершать больше ошибок в невесомости

 Фермент бактерии E. coli при воздействии невесомости допускал больше ошибок при копировании синтетической ДНК, чем тот же фермент при нормальной гравитации, говорится в недавнем исследовании.

В работе поднимается вопрос о том, что некоторые ферменты работают в космосе иначе, чем на Земле. "Это дает нам возможность предположить, что ферменты, такие как полимеразы или другие, которые участвуют в поддержании целостности нашей ДНК, могут быть подвержены влиянию космических полетов", - сказала Сьюзан Бейли, биолог по радиационному раку из Университета штата Колорадо в Форт-Коллинзе, которая изучала повреждения ДНК, вызванные космической радиацией, но не участвовала в написании новой работы.

Аарон Розенштейн, ведущий автор статьи и аспирант по биоинженерии в Университете Торонто, сказал, что результаты исследования "требуют дальнейшего изучения других ферментов, которые участвуют в важнейших путях, необходимых для жизни и выживания".

Ученые знают, что длительное пребывание в космосе может повлиять на физиологию астронавтов и вызвать проблемы со здоровьем. Микрогравитация может вызвать атрофию мышц, потерю плотности костей и проблемы со зрением. Она также может вызвать смещение мозга и спинномозговой жидкости, что может быть связано с повреждением мозга.

Находясь в космосе, астронавты также подвергаются воздействию радиации от Солнца и далеких галактик. "Радиация действует как шар для боулинга, а ДНК - это кегли для боулинга", - говорит Розенштейн. "Эти частицы движутся так быстро, что разрушают ДНК или вызывают мутации через все эти различные механизмы". Такое повреждение ДНК может потенциально подвергнуть астронавтов повышенному риску развития рака и дегенеративных заболеваний, сказал Бейли.

По словам Розенштейна, менее ясно, какое влияние на ДНК может оказывать микрогравитация, если вообще оказывает. Он изучает ДНК-полимеразы, класс ферментов, которые копируют ДНК и восстанавливают повреждения. Полимеразы считывают порядок расположения четырех типов нуклеотидных оснований на исходной нити ДНК и помещают соответствующее основание на соответствующий участок новой нити. Но эти полимеразы не совершенны, поэтому в некоторые из них встроены корректорские ферменты, которые перепроверяют их работу и отмечают, где они допустили ошибку.

Будучи студентом магистратуры в Королевском университете в Кингстоне, Онтарио, Розенштейн хотел проверить, могут ли полимеразы допускать ошибки чаще или реже в условиях микрогравитации, что может повлиять на то, как радиационные повреждения восстанавливаются в космосе. Некоторые эксперименты, изучающие микрогравитацию, проводятся в космосе на таких объектах, как Международная космическая станция. Розенштейну было проще с точки зрения логистики провести эксперимент ближе к Земле, на борту самолета, прозванного "рвотной кометой", который достигает нулевой гравитации путем выполнения серии подъемов и погружений в быстрой последовательности. Его пассажиры испытывают короткий, 20-секундный период невесомости, когда самолет достигает вершины параболической траектории полета на высоте 10 000 футов над поверхностью Земли.

На борту самолета Розенштейн был привязан к своему креслу, перед ним находился ноутбук и полезная нагрузка, которую он сконструировал для проведения эксперимента. Когда самолет достиг невесомости, Розенштейн с помощью кликера дал команду роботизированным приборам ввести полимеразу, содержащуюся в кишечной палочке, в смесь с синтетической одноцепочечной ДНК. Когда самолет покинул невесомость, он ввел другую смесь, чтобы остановить реакцию.

Розенштейн сказал, что ощущение невесомости немного напоминает катание на американских горках. "Ваш мозг, по крайней мере вначале, говорит вам: "Что-то здесь не так", - сказал он. "Мы не совсем уверены, что это такое, но нам это не нравится".

Вернувшись на Землю, данные показали, что полимераза с прикрепленным корректором делала немного больше ошибок на борту рвотной кометы, чем когда самолет находился в условиях нормальной гравитации, хотя этот эффект не всегда был статистически значимым. Полимераза делала еще больше ошибок, когда фермент корректора не был присоединен (некоторые полимеразы не имеют корректоров), что позволило Розенштейну предположить, что корректор был способен исправить некоторые дополнительные ошибки, сделанные копирующей частью. Исследование было опубликовано в ноябре прошлого года в журнале Frontiers in Cell and Developmental Biology.

Бейли сказал, что исследование не имеет прямого отношения к здоровью астронавтов во время длительных космических полетов. Поскольку в эксперименте использовалась полимераза, содержащаяся в бактериях, а ДНК подвергалась воздействию невесомости всего 20 секунд, исследование "очень далеко от того, что испытывают космонавты", - сказала она. Полимераза кишечной палочки, использованная в эксперименте, относится к семейству полимераз, которые составляют лишь несколько из 14 известных ДНК-полимераз, имеющихся у человека, сказал Розенштейн.

Человеческие клетки имеют и другие механизмы для обнаружения ошибок. "Существует целый ряд процессов репарации несоответствий, таких как большие, большие пути, которые действуют для того, чтобы не допустить этого", - сказал Розенштейн. "Необходимо провести множество других последующих исследований, чтобы доказать этот эффект в человеческих клетках и понять, почему этот эффект важен или не важен".

Он также добавил, что "основной причиной мутаций, которые мы наблюдаем в космосе, является радиация".

Но Бейли сказал, что если на некоторые полимеразы влияет микрогравитация, это может иметь отношение к теломерам астронавтов, которые представляют собой кусочки ДНК на концах хромосом, которые, как считается, связаны со старением человека. Тип полимеразы под названием теломераза копирует теломеры, и Бейли изучал, как космические полеты влияют на длину теломер. "Эта статья дает некоторую поддержку идее о том, что на [активность теломеразы] может влиять микрогравитация", - сказала она.