Questa lattuga produce un ormone stimolante le ossa che potrebbe aiutare a prevenire la perdita di massa ossea nello spazio e sulla Terra. Credito:Kevin Yates
La NASA si sta preparando a inviare umani su Marte negli anni '30 del 2000. La missione di 3 anni esporrà gli astronauti a un lungo periodo di microgravità, che farà loro perdere massa ossea. Ma ora, gli scienziati riferiscono che la lattuga transgenica produce un ormone stimolante le ossa. Un giorno, gli astronauti potrebbero coltivare la lattuga nello spazio e aiutare a prevenire la perdita ossea, semplicemente mangiando una grande ciotola di insalata. Inoltre, la lattuga potrebbe aiutare a prevenire l'osteoporosi nelle aree con risorse limitate qui sulla Terra, affermano i ricercatori.
I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi alla riunione di primavera dell'American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 è una riunione ibrida che si terrà virtualmente e di persona dal 20 al 24 marzo, con accesso su richiesta disponibile dal 21 marzo all'8 aprile. La riunione prevede oltre 12.000 presentazioni su un'ampia gamma di argomenti scientifici.
Precedenti studi sugli astronauti in missioni spaziali estese hanno dimostrato che perdono, in media, più dell'1% della massa ossea ogni mese trascorso nello spazio, una condizione nota come osteopenia. "In questo momento, gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale hanno determinati regimi di esercizio per cercare di mantenere la massa ossea", afferma Kevin Yates, uno studente laureato che presenta il lavoro alla riunione. "Ma in genere non sono sulla Stazione Spaziale Internazionale per più di 6 mesi." Al contrario, ci vogliono circa 10 mesi per arrivare su Marte e gli astronauti rimarrebbero per circa un anno a studiare il pianeta prima di fare il viaggio di ritorno sulla Terra.
La missione di 3 anni potrebbe lasciare gli astronauti vulnerabili all'osteopenia e, successivamente, all'osteoporosi. Un farmaco contenente un frammento peptidico dell'ormone paratiroideo umano (PTH) stimola la formazione ossea e potrebbe aiutare a ripristinare la massa ossea in condizioni di microgravità, ma richiede iniezioni quotidiane. Trasportare grandi quantità di farmaci e siringhe e somministrarli durante le missioni spaziali non è pratico. Quindi Yates; Somen Nandi, Ph.D.; Karen McDonald, Ph.D.; e i loro colleghi volevano trovare un modo per consentire agli astronauti di produrlo da soli, gustando anche alcune gustose verdure, che sono gravemente carenti nelle diete per lo più in scatola e liofilizzate degli astronauti.
"Gli astronauti possono trasportare semi transgenici, che sono molto piccoli - puoi avere qualche migliaio di semi in una fiala delle dimensioni del tuo pollice - e coltivarli proprio come la lattuga normale", dice Nandi. "Potrebbero usare le piante per sintetizzare farmaci, come il PTH, in base alle necessità e poi mangiare le piante".
Sulla Stazione Spaziale Internazionale, gli astronauti hanno già dimostrato di poter coltivare regolarmente lattuga in questo ambiente con risorse limitate. Yates, Nandi e McDonald, che sono all'Università della California, Davis, volevano sviluppare una lattuga transgenica che esprimesse il peptide PTH in una forma che potesse essere assunta per via orale, invece che per iniezione. La lattuga speciale potrebbe anche aiutare a curare l'osteopenia nelle regioni della Terra che non hanno accesso ai farmaci tradizionali. Per aumentare la stabilità e la biodisponibilità del PTH nel corpo, hanno attaccato un pezzo di un'altra proteina, il dominio cristallizzabile del frammento (Fc) di un anticorpo umano, alla sequenza del PTH. Precedenti studi hanno dimostrato che il frammento Fc aumenta il tempo in cui il peptide attaccato circola nel sangue, rendendolo più efficace.
I ricercatori hanno introdotto un gene che codifica per PTH-Fc nella lattuga infettando le cellule vegetali con Agrobacterium tumefaciens — una specie di batteri utilizzata in laboratorio per trasferire i geni alle piante. Hanno esaminato le piante di lattuga transgenica e la loro progenie per la produzione di PTH-Fc. I risultati preliminari indicano che, in media, le piante esprimono circa 10-12 milligrammi dell'ormone peptidico modificato per chilogrammo di lattuga fresca. Secondo Yates, ciò significa che gli astronauti dovrebbero mangiare circa 380 grammi, o circa 8 tazze, di lattuga al giorno per ottenere una dose sufficiente dell'ormone, supponendo una biodisponibilità di circa il 10%, che riconosce essere una "insalata piuttosto grande".
"Una cosa che stiamo facendo ora è selezionare tutte queste linee di lattuga transgenica per trovare quella con la più alta espressione di PTH-Fc", afferma McDonald. "Finora ne abbiamo solo esaminati alcuni e abbiamo osservato che la media era di 10-12 mg/kg, ma pensiamo che potremmo essere in grado di aumentarla ulteriormente. Più possiamo aumentare l'espressione, minore è la quantità di lattuga che deve essere consumata". Il team vuole anche testare quanto bene cresce la lattuga transgenica sulla Stazione Spaziale Internazionale e se produce la stessa quantità di PTH-Fc che sulla Terra.
Sebbene i ricercatori non abbiano ancora assaggiato la lattuga perché la sua sicurezza non è stata stabilita, anticipano che avrà un sapore molto simile alla sua controparte normale, come la maggior parte delle altre piante transgeniche. Prima che la lattuga transgenica possa abbellire le piastre degli astronauti, tuttavia, i ricercatori devono ottimizzare i livelli di espressione di PTH-Fc, quindi testeranno la lattuga per la sua capacità di prevenire in sicurezza la perdita ossea in modelli animali e studi clinici sull'uomo. Tuttavia, prevede Yates, "Sarei molto sorpreso dal fatto che, quando mandiamo gli astronauti su Marte, le piante non vengono utilizzate per produrre farmaci e altri composti benefici".
I ricercatori riconoscono il supporto e il finanziamento della NASA attraverso il Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES).
Titolo
Sviluppo di una pianta terapeutica realizzata in volo per il trattamento dell'osteopenia da microgravità
Astratto
Missioni spaziali estese in un ambiente di microgravità alterano la normale fisiologia del corpo umano. Un problema critico nel volo spaziale è la perdita di densità minerale ossea. Nel processo di omeostasi ossea, cellule specializzate facilitano il rimodellamento osseo con riassorbimento e formazione ossea accoppiati. Il carico meccanico ridotto in condizioni di microgravità fa sì che il riassorbimento superi la formazione, il che si traduce in una perdita di massa ossea. Farmaci come l'ormone paratiroideo (PTH) [aminoacidi 1-34], un frammento peptidico del PTH umano presente in natura, stimolano la formazione ossea e possono essere in grado di ripristinare la massa ossea in condizioni di microgravità. Tuttavia, ciò richiede un'iniezione sottocutanea quotidiana per un certo numero di mesi e, in un ambiente con risorse limitate, ciò non è pratico. Un'alternativa al trasporto di un farmaco iniettabile è invece sviluppare la capacità di produrlo durante la missione, cosa che proponiamo di fare nelle piante transgeniche.
Stiamo producendo lattuga transgenica che esprime una proteina di fusione costituita da PTH [aminoacidi 1-34] legato con un dominio cristallizzabile frammento (Fc) di IgG1 umana tramite un linker flessibile. La componente Fc e il sequestro del PTH-Fc all'interno del reticolo endoplasmatico della pianta hanno lo scopo di aumentare la biodisponibilità tramite somministrazione orale. Abbiamo costruito un vettore binario per l'espressione di questa proteina PTH-Fc e l'abbiamo usato per produrre costitutivamente PTH-Fc in due varietà di lattuga transgenica tramite la trasformazione mediata da Agrobacterium tumefaciens della lattuga selvatica. Abbiamo generato con successo piante transgeniche (T) e schermato generazioni T1 e T2 utilizzando un marcatore selezionabile e PCR. Un protocollo di estrazione accoppiato con il Western blotting ha consentito il rilevamento di PTH-Fc negli estratti vegetali prendendo di mira le regioni PTH o Fc della proteina di fusione. È in fase di sviluppo un protocollo ELISA ottimizzato per quantificare i livelli di espressione di PTH-Fc. Dai risultati preliminari si stima che il livello di espressione sia dell'ordine di 10-12 mg di PTH-Fc per chilogrammo di biomassa in peso fresco.
