Ta sałata wytwarza hormon stymulujący kości, który może pomóc powstrzymać utratę masy kostnej w kosmosie i na Ziemi. Źródło:Kevin Yates
NASA przygotowuje się do wysłania ludzi na Marsa w latach 30. XX wieku. 3-letnia misja narazi astronautów na długi okres mikrograwitacji, który spowoduje utratę masy kostnej. Ale teraz naukowcy donoszą o transgenicznej sałacie, która wytwarza hormon stymulujący kości. Pewnego dnia astronauci mogliby hodować sałatę w kosmosie i pomóc chronić się przed utratą kości — po prostu jedząc dużą miskę sałatki. Ponadto sałata może pomóc powstrzymać osteoporozę na obszarach o ograniczonych zasobach na Ziemi, twierdzą naukowcy.
Naukowcy zaprezentują dziś swoje wyniki na wiosennym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS). ACS Spring 2022 to spotkanie hybrydowe, które odbywa się wirtualnie i osobiście w dniach 20-24 marca, z dostępem na żądanie dostępnym od 21 marca do 8 kwietnia. Spotkanie obejmuje ponad 12 000 prezentacji na różne tematy naukowe.
Wcześniejsze badania astronautów podczas długich misji kosmicznych wykazały, że tracą oni średnio ponad 1% masy kostnej na miesiąc spędzony w kosmosie, co jest stanem znanym jako osteopenia. „W tej chwili astronauci na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej stosują określone schematy ćwiczeń, które mają na celu utrzymanie masy kostnej” – mówi Kevin Yates, doktorant, który prezentuje swoją pracę na spotkaniu. „Ale zazwyczaj nie przebywają na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej dłużej niż 6 miesięcy”. W przeciwieństwie do tego, dotarcie na Marsa zajmuje około 10 miesięcy, a astronauci pozostaliby przez około rok, aby zbadać planetę przed podróżą do domu na Ziemię.
3-letnia misja może narazić astronautów na osteopenię, a później na osteoporozę. Lek zawierający fragment peptydowy ludzkiego parathormonu (PTH) stymuluje tworzenie kości i może pomóc w przywróceniu masy kostnej w warunkach mikrograwitacji, ale wymaga codziennych zastrzyków. Transportowanie dużych ilości leków i strzykawek oraz podawanie ich podczas misji kosmicznych jest niepraktyczne. Więc Yates; dr Somen Nandi; dr Karen McDonald; a ich koledzy chcieli znaleźć sposób, aby astronauci sami je wyprodukowali – jednocześnie delektując się smaczną zieleniną, której bardzo brakuje w diecie astronautów głównie w puszkach i liofilizowanych.
„Astronauci mogą nosić transgeniczne nasiona, które są bardzo małe – możesz mieć kilka tysięcy nasion w fiolce wielkości kciuka – i uprawiać je tak jak zwykłą sałatę” – mówi Nandi. „Mogą wykorzystać rośliny do syntezy farmaceutyków, takich jak PTH, w razie potrzeby, a następnie zjadać rośliny”.
Na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej astronauci już pokazali, że mogą uprawiać zwykłą sałatę w tym ograniczonym zasobach środowisku. Yates, Nandi i McDonald, którzy pracują na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, chcieli opracować transgeniczną sałatę z ekspresją peptydu PTH w formie, którą można by przyjmować doustnie zamiast wstrzykiwania. Specjalna sałata może również pomóc w leczeniu osteopenii w regionach Ziemi, które nie mają dostępu do tradycyjnych leków. Aby zwiększyć stabilność i biodostępność PTH w organizmie, dołączyli do sekwencji PTH fragment innego białka, fragment krystalizującej domeny (Fc) ludzkiego przeciwciała. Wcześniejsze badania wykazały, że fragment Fc wydłuża czas krążenia dołączonego peptydu we krwi, co czyni go bardziej skutecznym.
Naukowcy wprowadzili do sałaty gen kodujący PTH-Fc, infekując komórki roślinne Agrobacterium tumefaciens — gatunek bakterii używany w laboratorium do przenoszenia genów do roślin. Przebadali transgeniczne rośliny sałaty i ich potomstwo pod kątem produkcji PTH-Fc. Wstępne wyniki wskazują, że rośliny wyrażają średnio około 10-12 miligramów zmodyfikowanego hormonu peptydowego na kilogram świeżej sałaty. Według Yatesa oznacza to, że astronauci musieliby jeść około 380 gramów lub około 8 filiżanek sałaty dziennie, aby uzyskać wystarczającą dawkę hormonu, przy założeniu biodostępności około 10%, co, jak przyznaje, jest „dość dużą sałatką”.
„Jedną z rzeczy, którą teraz robimy, jest badanie przesiewowe wszystkich tych transgenicznych linii sałaty, aby znaleźć tę o najwyższej ekspresji PTH-Fc” – mówi McDonald. „Do tej pory przyjrzeliśmy się kilku z nich i zaobserwowaliśmy, że średnia wynosiła 10-12 mg/kg, ale uważamy, że moglibyśmy to jeszcze zwiększyć. Im bardziej możemy zwiększyć ekspresję, tym mniejszą ilość sałaty należy skonsumować”. Zespół chce również przetestować, jak dobrze transgeniczna sałata rośnie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i czy wytwarza taką samą ilość PTH-Fc jak na Ziemi.
Chociaż naukowcy nie spróbowali jeszcze sałaty, ponieważ nie ustalono jej bezpieczeństwa, spodziewają się, że będzie smakować bardzo podobnie do swojego zwykłego odpowiednika, jak większość innych roślin transgenicznych. Zanim jednak transgeniczna sałata będzie mogła zaszczycić płytki astronautów, naukowcy muszą zoptymalizować poziomy ekspresji PTH-Fc, a następnie przetestują sałatę pod kątem jej zdolności do bezpiecznego zapobiegania utracie kości w modelach zwierzęcych i badaniach klinicznych na ludziach. Niemniej jednak Yates przewiduje:„Byłbym bardzo zaskoczony, gdyby do czasu, gdy wyślemy astronautów na Marsa, rośliny nie będą wykorzystywane do produkcji farmaceutyków i innych korzystnych związków”.
Naukowcy potwierdzają wsparcie i finansowanie od NASA za pośrednictwem Centrum Wykorzystania Inżynierii Biologicznej w Kosmosie (CUBES).
Tytuł
Opracowanie roślinnego środka terapeutycznego stworzonego w locie do leczenia osteopenii mikrograwitacyjnej
Streszczenie
Rozszerzone misje kosmiczne w środowisku mikrograwitacyjnym zmieniają normalną fizjologię ludzkiego ciała. Jednym z krytycznych problemów w lotach kosmicznych jest utrata gęstości mineralnej kości. W procesie homeostazy kości wyspecjalizowane komórki ułatwiają przebudowę kości ze sprzężoną resorpcją i tworzeniem kości. Zmniejszone obciążenie mechaniczne w warunkach mikrograwitacji powoduje resorpcję do przerostu formacji, co skutkuje utratą masy kostnej. Leki takie jak parathormon (PTH) [aminokwasy 1-34], fragment peptydowy naturalnie występującego ludzkiego PTH, stymulują tworzenie kości i mogą być w stanie przywrócić masę kostną w warunkach mikrograwitacji. Wymaga to jednak codziennego wstrzykiwania podskórnego przez kilka miesięcy, a przy ograniczonych zasobach jest to niepraktyczne. Alternatywą dla transportu leków do wstrzykiwań jest zamiast tego budowanie zdolności do ich wytwarzania podczas misji, co proponujemy zrobić w roślinach transgenicznych.
Produkujemy sałatę transgeniczną, w której zachodzi ekspresja białka fuzyjnego składającego się z PTH [aminokwasy 1-34] połączonego z fragmentem krystalizującej domeny (Fc) ludzkiej IgG1 za pomocą elastycznego łącznika. Składnik Fc i sekwestracja PTH-Fc w retikulum endoplazmatycznym rośliny ma na celu zwiększenie biodostępności poprzez dostarczanie doustne. Skonstruowaliśmy binarny wektor do ekspresji tego białka PTH-Fc i użyliśmy go do konstytutywnego wytwarzania PTH-Fc w dwóch odmianach sałaty transgenicznej poprzez transformację sałaty typu dzikiego za pośrednictwem Agrobacterium tumefaciens. Udało nam się wygenerować rośliny transgeniczne (T) i przebadać pokolenia T1 i T2 przy użyciu markera selekcyjnego i PCR. Protokół ekstrakcji połączony z techniką Western blot umożliwił wykrywanie PTH-Fc w ekstraktach roślinnych poprzez celowanie w regiony PTH lub Fc białka fuzyjnego. Opracowywany jest zoptymalizowany protokół ELISA w celu ilościowego określenia poziomów ekspresji PTH-Fc. Na podstawie wstępnych wyników szacuje się, że poziom ekspresji jest rzędu 10-12 mg PTH-Fc na kilogram świeżej masy biomasy.
