منذ إنشائه في عام 1990، أدى مشروع الجينوم البشري إلى تحقيق اختراقات في فهمنا لعلم الوراثة. في أبريل 2003، تم الإعلان عن اكتمال المشروع بعد أن حدد العلماء تسلسل 3 مليارات زوج من القواعد الكيميائية التي تشكل الحمض النووي البشري. ولكن من المؤسف أن العديد من الأسئلة لا تزال قائمة حول القواعد الفيزيائية التي تحكم تنظيم الجينوم. ومن بينها مسألة كيفية تأثير الجاذبية على الحياة على الأرض، وصولا إلى مستوى الميتوكوندريا.
تسعى دراسة جديدة أجراها باحثون في مركز أبحاث المواد الناعمة بجامعة نيويورك (NYU) إلى الإجابة على هذا السؤال للمساعدة في التخفيف من آثار رحلات الفضاء. وراء عملهم هناك تقنية مبتكرة لخلق بيئة الجاذبية الصغرى للكشف عن تأثير الجاذبية على الخلايا البشرية. لهذا البحث هدفان: عزل تأثير الجاذبية على الجينات البشرية وإظهار كيفية عمل الجينوم في حالة انعدام الجاذبية.
بفضل عقود من الرحلات الاستكشافية إلى محطة الفضاء الدولية (ISS)، اكتشف العلماء أن البقاء لفترة طويلة في الفضاء يمكن أن يؤثر بشكل كبير على فسيولوجيا الإنسان. وتشمل هذه ضمور العضلات، وفقدان كثافة العظام، ومشاكل في الرؤية، وتأثيرات على القلب والأوعية الدموية والجهاز العصبي المركزي. وكشفت دراسة التوائم الشهيرة التي أجرتها ناسا أيضًا أن الجاذبية الصغرى تؤثر على رواد الفضاء على المستوى الجيني. ولم يُعرف بعد المدى الكامل لهذه التأثيرات، مما يزيد الحاجة إلى مزيد من الأبحاث.
رائدا الفضاء التوأم المتطابقان، سكوت ومارك كيلي، هما موضوعان لدراسة التوائم التي أجرتها وكالة ناسا. أمضى سكوت (على اليمين) عامًا في الفضاء بينما بقي مارك (على اليسار) على الأرض كموضوع تحكم. نظر الباحثون في آثار السفر إلى الفضاء على جسم الإنسان. الائتمان: ناسا
على الرغم من أهمية الجينوم البشري، إلا أننا مازلنا لا نفهم بشكل كامل المبادئ الفيزيائية التي تحكم تنظيمه. والمعروف أن بنيتها معقدة للغاية، وتتكون من تسلسل أحادي البعد مشفر في مترين من جزيئات الحمض النووي المعبأة داخل نواة خلية صغيرة لا يتجاوز حجمها 10 ميكرومتر. ومن المعروف أيضًا أن هيكلها يرتبط بشكل مباشر بوظيفتها، ويمكن أن تؤدي انحرافاتها إلى أمراض مثل السرطان وإعاقات النمو.
وكما أوضحت ألكسندرا زيدوفسكا، الأستاذة المشاركة في قسم الفيزياء بجامعة نيويورك:
على الأرض، يعد دور الجاذبية مثيرًا للاهتمام، فهي تمثل ضغطًا ميكانيكيًا مستمرًا على كل شيء. أردنا أن نعرف ما هو دور الجاذبية في تنظيم الجينوم ووظيفته هنا على الأرض. وللكشف عنها، عليك إزالة الجاذبية كقوة، لذلك قمنا بمحاكاة انعدام الجاذبية في تجاربنا. وبعيدًا عن الأرض، فإن مسألة انعدام الجاذبية ملحة أيضًا: كيف سيتأثر الجينوم البشري عندما يكون في الفضاء الخارجي؟ نعتقد أن النتائج التي توصلنا إليها يمكن أن تكون مفيدة في فهم أفضل لكيفية تأثير السفر عبر الفضاء علينا.
ومن أجل تجربتهم، قام باحثو جامعة نيويورك بتصميم وبناء آلة تحديد المواقع العشوائية (RPM) مشابهة لتلك التي يستخدمها رواد الفضاء للتدريب. تم إقران الآلة بأطباق من مزارع الخلايا الحية، والتي تم تدويرها على طول محورين مختلفين، باتباع مسار ثلاثي الأبعاد. سمح ذلك للفريق بتصوير الجينات الموجودة داخل مزارع الخلايا وملاحظة كيفية استجابتها للجاذبية الصغرى.
كما طور الباحثون خوارزميات ثلاثية الأبعاد لمحاكاة الجاذبية الصغرى وتقليل تدفق السوائل، والذي ينشأ عادةً أثناء تجارب الدوران ثلاثية الأبعاد على الأرض ولكنه غائب في الجاذبية الصغرى. كما قاموا بتطوير خوارزميات لدراسة كيفية تأثير هذه التدفقات على الخلايا. أدت هذه الابتكارات إلى انخفاض في كل من التدفقات وتكوين تجمعات الخلايا، مما حجاب آثار الجاذبية الصغرى في الدراسات السابقة.
وبعد 24 ساعة من التعرض لمحاكاة الجاذبية الصغرى أو تدفقات السوائل، استخدم العلماء تقنيات تصوير متقدمة لمراقبة الخلايا في كل حالة. ثم سجلوا تدفقات من الصور لإجراء تحليل مفصل، مع ملاحظة التغيرات في الخلايا ونواتها، بالإضافة إلى التغيرات في تنظيم الجينوم وديناميكياته والتلف المحتمل للحمض النووي الناجم عن محاكاة الجاذبية الصغرى.
رائدة الفضاء في وكالة الفضاء الأوروبية سامانثا كريستوفوريتي تعمل مع صندوق قفازات علوم الجاذبية الصغرى على متن محطة الفضاء الدولية في عام 2014. ائتمانات: وكالة ناسا
بشكل عام، أظهرت النتائج أن الجاذبية الصغرى تزيد من حجم نواة الخلية، مما يشير إلى أن الجاذبية تقللها. وأشاروا أيضًا إلى أن التعرض للتدفقات أدى إلى إطالة الخلايا. وعلى الرغم من هذه التغييرات، ظل سمك وبنية الغلاف النووي للخلايا دون تغيير، مما يشير إلى أن الجاذبية لها تأثير ضئيل على هذه السمات. حافظ الجينوم داخل نواة الخلية على تنظيمه الجسدي وحركاته بعد التعرض لمدة 24 ساعة.
بشكل عام، وجد الفريق أن التعرض لمدة يوم كامل لمحاكاة الجاذبية الصغرى أدى إلى تغييرات طفيفة إلى حد ما، ولكن لاحظ أن هذه التغييرات يمكن أن تتضخم بمرور الوقت. وأظهر الباحثون أيضًا أن الجاذبية الصغرى لا تسبب تلفًا في الحمض النووي، لكن الضرر يحدث عندما تتعرض الخلايا للتدفقات. سعيد زيدوفسكا:
تظهر بياناتنا أن الجينوم وتنظيمه وديناميكياته قوية بشكل لا يصدق ويبدو أنها لا تتأثر بالجاذبية أو عدم وجودها بعد 24 ساعة. وبالمثل، تشير هذه النتائج إلى أن التنظيم المادي للجينوم البشري قد يتغير قليلاً في الفضاء الخارجي خلال أطر زمنية قابلة للمقارنة. ومع ذلك، يمكن أن تحدث مثل هذه التغييرات أثناء التعرض لفترة أطول وبسبب تلف الحمض النووي الذي يحدث في الفضاء.
تقدم هذه الدراسة رؤى أساسية حول تنظيم الجينوم وتسلط الضوء على دور الجاذبية في تنظيم الحياة على الأرض. وكانت النتائج مشجعة، حيث أظهرت أن الجينوم لدينا قوي للغاية ضد الإجهاد الميكانيكي ويمكنه تحمل التعرض للجاذبية الصغرى دون تغييرات خطيرة. ومع ذلك، فإن هذه التجربة هي قمة جبل الجليد عندما يتعلق الأمر بالبحث في التأثيرات طويلة المدى للجاذبية الصغرى. يعد فهم نطاق التأثيرات أمرًا ضروريًا للبعثات المستقبلية طويلة الأمد إلى أماكن مثل القمر والمريخ وما وراءهما.
نُشرت الورقة التي تصف النتائج التي توصل إليها الباحثون في تقدم العلوم.
مزيد من القراءة: جامعة نيويورك، تقدم العلوم
