Denna sallad producerar ett benstimulerande hormon som kan hjälpa till att förhindra benförlust i rymden och på jorden. Kredit:Kevin Yates
NASA förbereder sig för att skicka människor till Mars någon gång på 2030-talet. Det 3-åriga uppdraget kommer att utsätta astronauter för en lång period av mikrogravitation, vilket kommer att få dem att förlora benmassa. Men nu rapporterar forskare transgen sallad som producerar ett benstimulerande hormon. En dag kunde astronauter odla sallad i rymden och hjälpa till att skydda mot benförlust - helt enkelt genom att äta en stor skål med sallad. Dessutom kan sallad hjälpa till att avvärja osteoporos i resursbegränsade områden här på jorden, säger forskarna.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte. ACS Spring 2022 är ett hybridmöte som hålls virtuellt och personligen 20–24 mars, med tillgång på begäran 21 mars–8 april. Mötet innehåller mer än 12 000 presentationer om ett brett spektrum av vetenskapliga ämnen.
Tidigare studier av astronauter på utdragna rymduppdrag har visat att de förlorar i genomsnitt mer än 1 % av benmassan per månad tillbringade i rymden, ett tillstånd som kallas osteopeni. "Just nu har astronauter på den internationella rymdstationen vissa träningsregimer för att försöka behålla benmassan", säger Kevin Yates, en doktorand som presenterar arbetet vid mötet. "Men de är vanligtvis inte på den internationella rymdstationen i mer än 6 månader." Däremot tar det cirka 10 månader att komma till Mars, och astronauterna skulle vara kvar i cirka ett år för att studera planeten innan de gjorde resan hem till jorden.
Det 3-åriga uppdraget kan göra astronauter sårbara för osteopeni och senare osteoporos. En medicin som innehåller ett peptidfragment av humant bisköldkörtelhormon (PTH) stimulerar benbildning och kan hjälpa till att återställa benmassan i mikrogravitation, men det kräver dagliga injektioner. Att transportera stora mängder av medicinen och sprutorna och administrera dem under rymduppdrag är opraktiskt. Så Yates; Somen Nandi, Ph.D.; Karen McDonald, Ph.D.; och deras kollegor ville hitta ett sätt för astronauter att producera det själva – samtidigt som de åtnjuter välsmakande grönsaker, som det verkligen saknas i astronauternas mestadels konserverade och frystorkade dieter.
"Astronauter kan bära transgena frön, som är väldigt små - du kan ha några tusen frön i en flaska ungefär lika stor som din tumme - och odla dem precis som vanlig sallad", säger Nandi. "De kunde använda växterna för att syntetisera läkemedel, såsom PTH, efter behov och sedan äta växterna."
På den internationella rymdstationen har astronauter redan visat att de kan odla vanlig sallad i denna resursbegränsade miljö. Yates, Nandi och McDonald, som är vid University of California, Davis, ville utveckla en transgen sallad som uttrycker PTH-peptiden i en form som kan tas oralt, istället för genom injektion. Den speciella sallaten kan också hjälpa till att behandla osteopeni i områden på jorden som saknar tillgång till traditionella mediciner. För att öka PTH:s stabilitet och biotillgänglighet i kroppen, fäste de en bit av ett annat protein, fragmentet kristalliserbara (Fc) domänen av en mänsklig antikropp, till PTH:s sekvens. Tidigare studier har visat att Fc-fragmentet ökar tiden som den fästa peptiden cirkulerar i blodet, vilket gör det mer effektivt.
Forskarna introducerade en gen som kodar för PTH-Fc till sallad genom att infektera växtceller med Agrobacterium tumefaciens — en bakterieart som används i labbet för att överföra gener till växter. De screenade de transgena salladsväxterna och deras avkomma för PTH-Fc-produktion. Preliminära resultat indikerar att växterna i genomsnitt uttrycker cirka 10-12 milligram av det modifierade peptidhormonet per kilogram färsk sallad. Enligt Yates betyder detta att astronauter skulle behöva äta cirka 380 gram, eller cirka 8 koppar, sallad dagligen för att få en tillräcklig dos av hormonet, under antagande om cirka 10 % biotillgänglighet, vilket han medger är en "ganska stor sallad."
"En sak vi gör nu är att screena alla dessa transgena salladslinjer för att hitta den med det högsta PTH-Fc-uttrycket," säger McDonald. "Vi har bara tittat på några av dem hittills och vi observerade att genomsnittet var 10-12 mg/kg, men vi tror att vi kanske kan öka det ytterligare. Ju högre vi kan boosta uttrycket, desto mindre mängd sallad som behöver konsumeras.” Teamet vill också testa hur väl den transgena salladen växer på den internationella rymdstationen och om den producerar samma mängd PTH-Fc som på jorden.
Även om forskarna inte har smakat salladen ännu eftersom dess säkerhet inte har fastställts, förväntar de sig att den kommer att smaka väldigt lik sin vanliga motsvarighet, som de flesta andra transgena växter. Innan den transgena salladen kan pryda astronauternas tallrikar måste forskarna optimera PTH-Fc-uttrycksnivåerna, och sedan kommer de att testa salladen för dess förmåga att säkert förhindra benförlust i djurmodeller och kliniska prövningar på människa. Icke desto mindre förutspår Yates, "Jag skulle bli mycket förvånad över att om, när vi skickar astronauter till Mars, växter inte används för att producera läkemedel och andra nyttiga föreningar."
Forskarna erkänner stöd och finansiering från NASA genom Center for the Utilization of Biological Engineering in Space (CUBES).
Titel
Utveckling av en växtgenererad terapeutisk gjord under flygning för att behandla osteopeni med mikrogravitation
Abstrakt
Utökade rymduppdrag i en mikrogravitationsmiljö förändrar den normala fysiologin i människokroppen. En kritisk fråga vid rymdfärd är förlust av bentäthet. I processen för benhomeostas underlättar specialiserade celler benombyggnad med kopplad benresorption och bildning. Den minskade mekaniska belastningen i mikrogravitationen gör att resorptionen överskrider bildningen, vilket resulterar i förlust av benmassa. Mediciner som bisköldkörtelhormon (PTH) [aminosyrorna 1-34], ett peptidfragment av naturligt förekommande humant PTH, stimulerar benbildning och kan kanske återställa benmassan i mikrogravitation. Detta kräver dock en daglig subkutan injektion under ett antal månader, och i en miljö med begränsade resurser är detta opraktiskt. Ett alternativ till att transportera en injicerbar medicin är att istället bygga upp kapacitet att producera den under uppdraget, vilket vi föreslår att göra i transgena växter.
Vi producerar transgen sallad som uttrycker ett fusionsprotein som består av PTH [aminosyrorna 1-34] kopplat till ett fragment kristalliserbart (Fc) domän av humant IgG1 via en flexibel linker. Fc-komponenten och sekvestreringen av PTH-Fc i växtens endoplasmatiska retikulum är avsedd att öka biotillgängligheten via oral tillförsel. Vi konstruerade en binär vektor för uttryck av detta PTH-Fc-protein och använde det för att konstitutivt producera PTH-Fc i två varianter av transgen sallad via Agrobacterium tumefaciens-medierad transformation av vildtypssallat. Vi har framgångsrikt genererat transgena (T) växter och screenat T1 och T2 generationer med hjälp av en valbar markör och PCR. Ett extraktionsprotokoll kopplat med Western blotting har möjliggjort detektion av PTH-Fc i växtextrakt genom att rikta in sig på antingen PTH- eller Fc-regionerna av fusionsproteinet. Ett optimerat ELISA-protokoll utvecklas för att kvantifiera expressionsnivåer av PTH-Fc. Det uppskattas från preliminära resultat att uttrycksnivån är i storleksordningen 10-12 mg PTH-Fc per kilogram färskviktsbiomassa.
