生活在地球上的人类，受到了地球磁场和大气层的保护，隔绝了绝大多数来自太空的有害辐射，然而，太空中的宇航员离开了地球的保护，他们会受到更强的辐射，因此面临更强的DNA损伤风险。

现在，中国和美国都宣布了载人登陆火星的计划，这种长期的星际旅行，宇航员们会面临长期太空辐射，身在太空微重力环境下的他们，身体会选择怎样的策略来修复辐射导致的DNA损伤呢？限于之前的技术和安全障碍，这个问题一直没能得到研究。

2021年6月30日，MiniPCR Bio、麻省理工学院、美国宇航局，以及几位美国中学生，在 PLOS One 期刊发表了题为：A CRISPR-based assay for the study of eukaryotic DNA repair onboard the International Space Station 的研究论文。

这项研究是首次在太空中完成的CRISPR基因编辑实验，为研究太空微重力环境下DNA损伤修复奠定了基础，对于人类探索广阔的太空，以及将来的星际旅行，甚至星际移民具有重要意义。

在国际空间站中，受实验设备等多种条件限制，难以直接观察细胞如何修复更复杂或更广泛的损伤。因此，研究团队想到了CRISPR基因编辑，使用CRISPR基因编辑造成细胞DNA的精确损伤，然后在国际空间站的宇航员就可以观察细胞上如何将这些DNA损伤修复的。

宇航员在国际空间站上通过对酵母细胞的实验，使用CRISPR基因编辑酵母细胞，使其DNA产生精确损伤、培养酵母使其修复DNA、提取基因组并PCR，以及对基因组进行纳米孔测序，这些全部实验过程均在国际空间站的太空飞行环境中进行。

研究团队使用了营养缺陷型酵母，这种酵母由于缺乏尿嘧啶生物合成所必须的URA3基因，因此无法在不含尿嘧啶的人工合成培养基中生存繁殖。

然后，NASA宇航员对这些酵母进行了转化实验，导入携带了URA3基因、Cas9基因和靶向ADE2基因的sgRNA，以及针对ADE2基因的修复模板。

正常情况下，酵母在培养基上形成的菌落为白色，而当ADE基因突变后，菌落呈红色。

质粒转化后，这些营养缺陷型酵母由于导入了URA3基因，从而可以在不含尿嘧啶的人工合成培养基中生存和繁殖并形成菌落，而且，观察到了培养基中出现了红色酵母菌落，可以直观看出CRISPR基因编辑成功编辑了ADE2基因。PCR实验进一步证明了CRISPR基因编辑的成功。

此外，还通过纳米孔测序，进一步推断这些酵母所采取的细胞修复机制，测序结果表明，所有被成功基因编辑的呈红色的菌落，它们的基因序列与修复模板序列一致，这表明它们都是通过同源重组进行的修复，而不是非同源末端连接的修复方式。这位将来量化DNA修复途径奠定了基础。

这项研究成功证明了这种新方法的可行性，这项研究标志着CRISPR/Cas9基因组编辑首次在太空成功进行，这也是首次在太空中向活细胞中导入来自生物体外部的遗传物质。

研究团队表示，希望这项技术能够对太空中的DNA修复进行广泛的研究，接下来还将继续改进新方法，以便更好地模拟电离辐射引起的复杂DNA损伤。

值得一提的是，这项研究的想法，是由美国两个高中的几名学生提出，并在学术界、工业界和NASA的支持下得以完成。

总的来说，这项研究不仅在太空极端环境下成功进行了CRISPR基因组编辑、miniPCR和纳米孔测序等新技术，而且还能将这些新技术整合到一起，用来研究太空微重力环境下的DNA修复和其他细胞基本过程。这对于人类探索广阔的太空，以及将来的星际旅行，甚至在星际移民具有重要意义。

论文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0253403