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太空中的DNA测序:从微生物到外星人

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2018年05月07日 来源:生物通

摘要:

  尽管miniPCR和MinION的组合有望发现外星生命,但没人能够保证外星人带有DNA。因此,人们需要开发更多的方法来描绘其他生命形式的图像。美国乔治城大学的研究人员就利用DNA测序技术,开发出一种鉴定外星生命的方法。

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2016年,美国宇航员Kate Rubins成为太空DNA测序的第一人。她首次在国际空间站完成了DNA测序实验。在此之前,宇航员Tim Peake曾成功利用PCR扩增DNA。

这项行动是美国宇航局(NASA)的生物分子测序计划的一部分。通过太空中的DNA测序,宇航员可以诊断疾病,鉴定空间站中的微生物,并确定它们是否存在健康威胁。

Rubins使用的是由Oxford Nanopore Technologies公司开发的MinION测序仪。这台仪器比手机还小,通过纳米孔来测序。当含有DNA样品的液体通过纳米孔时,单个DNA分子部分阻断了纳米孔,并以序列特异的方式改变电流。研究人员通过这些改变可确定DNA序列。

研究人员将小鼠、病毒和细菌的DNA样品以及MinION测序仪送入国际空间站。分子生物学背景的Rubins在国际空间站开展了测序实验,而地面上的研究人员同时测序了相同的样品。

这样设置是为了确保引起结果差异的参数只有太空飞行条件(主要是微重力)。人们采取各种措施来避免其他的差异。样品是在地面上制备好的,而精选的测序物种有着已知的DNA序列。

根据之前的测试,在微重力环境中使用该设备存在一些挑战。据NASA的首席科学家Aaron Burton介绍,液体中形成的气泡也可能带来挑战。在地球上,气泡上升到溶液的顶部,可通过离心去除,但在太空中,气泡的行为不太容易预测。“我们最担心的是它堵住纳米孔,”他说。

当然,测序工作顺利完成。MinION测序仪经受住了挑战,包括足以承受火箭发射时的振动,以及在微重力环境下能够可靠地运行。

鉴定神秘的微生物

一年后,研究人员首次对太空中采集到的未知样本进行了测序和鉴定。这意味着人类首次在国际空间站上完成了从采样到测序的整个过程。

这个实验是“Genes in Space-3”项目中的一部分,具体包括几个部分:微生物样本的采集,PCR扩增,然后是测序和鉴定微生物。NASA宇航员Peggy Whitson在轨道实验室开展了实验,而这个项目的负责人Sarah Wallace及其团队在休斯顿观看并指导她。

首先,Whitson用培养皿接触空间站的各个表面,这是常规微生物监控中的一部分。大约一星期后,她在微重力手套箱中操作,将培养皿上生长的细菌克隆转移到检测管中,这在太空中尚属首次。

之后,Whitson利用miniPCR热循环仪开展DNA扩增,并制备测序用的样本。当一切准备就绪,她将制备好的样本上样到流动槽中,并将流动槽插入MinION测序仪。在无人值守的情况下,测序仪运行6或48小时,然后自动关闭。生成的数据传输到地球进行分析和鉴定。

为了确认空间站的结果,Whitson又带着样本一起返回地球,并在地面的实验室完成了生物化学和测序分析。实验进行了多次,以确认结果是否准确。每一次,地球上的结果都与太空中的结果完全一致。

从微生物到外星人

尽管miniPCR和MinION的组合有望发现外星生命,但没人能够保证外星人带有DNA。因此,人们需要开发更多的方法来描绘其他生命形式的图像。美国乔治城大学的研究人员就利用DNA测序技术,开发出一种鉴定外星生命的方法。

“大多数生命探测策略都依赖于找到那些与人类相关的特征,比如特定种类的分子,”研究人员解释说。“不过,月球及其他星球上的生命也许完全不同,特别是木卫二和土卫二上的大海。”

研究人员在《Astrobiology》上发表了一种检测技术,它是基于指数富集配体系统进化(SELEX)的癌症检测方法。他们提议制备出核酸,可以与任何指示生命的分子结合,如不同的有机分子、矿物质,甚至可能是金属。

这些核酸将作为传感器,并有望被扩增。然后,人们可以分析它们的结合模式并显示生化指纹。由此可以推断出生命形式的复杂性和分子模式。

“如果不预先设定任何特定的分子框架,这种生命探测方法近可以用在火星,远可以用在太阳系,而仪器的热量和功率都很小,”研究人员总结道。(生物通 薄荷)

相关文献

Fingerprinting Non-Terran Biosignatures

Astrobiology. Published Online: 8 March 2018
https://doi.org/10.1089/ast.2017.1712

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