What We Study
Zellen reagieren auf Veränderungen in ihrer Umgebung durch eine Vielzahl verschiedener Mechanismen. Ein Beispiel für einen solchen Mechanismus ist die Auslösung einer Stressreaktion, die oft eine Veränderung der Expression bestimmter Gene erfordert. Gene können durch zelluläre Moleküle, so genannte Transkriptionsfaktoren, aktiviert und/oder deaktiviert werden, die an bestimmte Bereiche der Zell-DNA binden und die Transkription der DNA-Sequenz in RNA einleiten. Alternativ dazu können Zellen auf Umweltreize reagieren, indem sie die Arten und Mengen der von ihnen produzierten Proteine erhöhen oder verringern oder ihre Stoffwechselrate erhöhen oder verringern. Solche zellulären Reaktionen laufen in der Regel nicht isoliert ab, sondern werden häufig von den Reaktionen benachbarter Zellen beeinflusst, seien es Mikroben in einer Kultur oder Pflanzenzellen in einer Wurzelspitze. Daher ist es ein wichtiger Aspekt zell- und molekularbiologischer Studien, zu verstehen, wie Zellen innerhalb einer Kultur oder in einem komplexen Gewebe miteinander kommunizieren.
Seit mehr als 40 Jahren werden Untersuchungen durchgeführt, um zu verstehen, wie Zellen und Zellsysteme auf die Umgebung in der Raumfahrt reagieren. Die meisten dieser frühen Studien konzentrierten sich auf die Charakterisierung der funktionellen und morphologischen Veränderungen, die auf zellulärer Ebene in multizellulären Organismen auftraten. Die Entwicklung moderner molekularbiologischer Werkzeuge hat jedoch ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen ermöglicht, d. h. wie Zellen in der Schwerelosigkeit miteinander kommunizieren und wie Zellveränderungen die Anpassung an die Weltraumumgebung unterstützen. Die Kombination von zell- und molekularbiologischen Studien hat daher eine Fülle von Informationen über die biologischen Auswirkungen der Raumfahrt geliefert, die sich auf die Mikroben-, Pflanzen- und Tierbiologie erstrecken.
Nachfolgend einige Beispiele für molekular- und zellbiologische Forschung, mit der die Raumfahrtbiologie zusammenarbeitet oder an der sie interessiert ist:
Molekularbiologie: Understanding the Big Picture Requisites Focusing on the Small
Veränderungen in der Anzahl, den Typen und sogar den Strukturen der Moleküle in den Zellen können die Reaktion eines Organismus als Ganzes auf äußere Reize, einschließlich der Exposition gegenüber dem Weltraum, stark beeinflussen. Die Weltraumbiologie finanziert und führt daher Forschungsarbeiten durch, die diese molekularen Veränderungen identifizieren und charakterisieren. Dazu gehören Studien, mit denen festgestellt werden soll, wie der Weltraumflug die Genexpression auf den Ebenen der RNA-, Protein- und Metabolitenproduktion in verschiedenen Zelltypen und Geweben verändert und wie sich diese Veränderungen auf die allgemeine Gesundheit des Organismus auswirken. Dazu gehören auch Untersuchungen, die charakterisieren, wie Funktion, Struktur, Schädigung und Reparatur der DNA durch den Weltraumflug beeinflusst werden und ob die Exposition gegenüber dem Weltraum zu dauerhaften Veränderungen in der DNA führt, die an die nächste Generation von Organismen weitergegeben werden können.
Zellsignalisierung: Beeinflusst die Raumfahrt die zelluläre Kommunikation?
Die Weltraumbiologie finanziert Forschungsarbeiten, die Zellen in 2D- und 3D-Kulturen untersuchen, um ihre Interaktionen zu charakterisieren, einschließlich Zell-Zell-Kontakten, interzellulären Signalwegen und zellulärem Transport. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen führen zu Studien von ganzen Geweben und Organen, gefolgt von Gewebe-zu-Gewebe- und Organ-zu-Organ-Interaktionen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können uns dabei helfen, uns ein Bild vom biologischen Zustand des gesamten Organismus zu machen und die Auswirkungen der Weltraumumgebung auf physiologische Reaktionen, Akklimatisierung und Funktionsstörungen zu verstehen.
Zelluläre Differenzierung und Funktion
Abgesehen von einigen Ausnahmen haben alle Zellen in einem komplexen Organismus die gleiche DNA. Das bedeutet, dass eine Knochenzelle in einem Tier denselben genetischen Bauplan enthält wie eine seiner Hautzellen oder Neuronen (Nervenzellen). Das sorgfältig regulierte Ein- und Ausschalten bestimmter Gene in diesen Zellen während der Entwicklung sorgt dafür, dass eine Hautzelle als Hautzelle und nicht als Knochenzelle, Muskelzelle oder ein anderer Zelltyp funktioniert. Während also alle Zelltypen in einem komplexen Organismus die gleichen Gene enthalten, unterscheiden sich diese Zellen in den Genen, die sie exprimieren, und im Zeitpunkt ihrer Expression. Space Biology unterstützt daher Forschungsarbeiten, die Antworten auf die Frage geben, wie die Weltraumumgebung die Funktion und Differenzierung von Stammzellen beeinflusst und wie sich diese Veränderungen auf die normale Gewebefunktion, Regeneration und Entwicklung auswirken.
GeneLab: Omics-Daten für alle verfügbar
Die von uns durchgeführten Experimente erzeugen enorme Mengen an Omics-Daten, die zelluläre und molekulare Veränderungen beschreiben, die durch den Raumflug ausgelöst werden. Diese werden in der GeneLab-Datenbank für offene Wissenschaft archiviert, die für die allgemeine wissenschaftliche, kommerzielle und öffentliche Gemeinschaft zugänglich ist.
Das GeneLab-Datensystem ist das frei zugängliche, online durchsuchbare Datenarchiv der NASA für die Ergebnisse weltraumbiologischer Experimente. Die im GeneLab-Datensystem gesammelten Daten umfassen mehrere biologische/biomedizinische Wissenschaftsdisziplinen und Forschungsschwerpunkte, um grundlegende biologische Hypothesen zu untersuchen und eine translationale Biologie zu ermöglichen, die für kommerzielle biotechnologische und pharmazeutische Anwendungen relevant ist. Der Link auf der GeneLab-Website zum Datenspeicher ermöglicht den Zugriff auf alle gesammelten Daten nach Spezies und Raumfahrtmissionen sowie auf ein Verfahren zur Einreichung von Datensätzen an den Speicher. Der GeneLab-Datenspeicher enthält auch wichtige Metadaten zu den Weltraum- und Bodenexperimenten, die für Forscher von entscheidender Bedeutung sind, wenn sie diese Daten für ihre eigenen spezifischen Untersuchungen genau interpretieren und analysieren wollen.