研究人员指南 ： 果蝇研究

国家航空航天局研究人员指南 ：果蝇研究 本国际空间站 （ ISS ） 研究人员指南由 NASA ISS 计划科学办公室出版。作者:Richard Mains & Sharon Reynolds, KBRwyle / Mains Associates, Berkeley, CA Matthew Lera, Logyx LLC / KBRwyle, NASA ARC, Moffett Field, CALance Ellingson, KBRwyle, NASA ARC, Moffett Field, CA执行编辑 ： Amelia Rai 技术编辑 ： Neesha Hosein 设计师 ： Cory Duke发布日期 ： 2016 年 11 月 1 日修订版 ： （ 仅限电子书 ） 2018 年 12 月 7 日盖和后盖:a.果蝇实验硬件的食物更换平台视图。b.两幅图像都是在准备在国际空间站飞行的学生果蝇实验时拍摄的。左边是 Sharmila Bhattacharya 博士 ， 右边是学生科学家 Chetan Angadi 。 (图片来源 ： NASA)2 实验室是开放的国际空间站 （ ISS ） 计划的任务是推进科学和技术研究，扩大人类知识，激励和教育下一代，促进太空的商业发展，并展示实现未来近地轨道 （ LEO ） 以外的探索任务的能力。这本小册子是 ISS 的 15 个研究人员指南系列之一，旨在为未来的研究人员介绍 ISS 的能力，特征，资源和过程，以及在一般主题领域获得的经验教训和知识。果蝇研究。项目科学家 Amy Gresser 检查麻醉果蝇的物理特性。 (图片来源 ： NASA / Dominic Hart)3 44 5国际空间站研究环境的独特特征1.微重力失重或失重改变了物理和生命科学中许多可观察到的现象。受微重力影响的系统和过程包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固以及火灾现象和燃烧。微重力诱导了从细菌到人类的生物体的大量变化，包括。基因表达的整体改变和细胞三维聚集成组织样结构。2.极端条件在国际空间站的空间环境中 ， 包括暴露于极端的高温和低温循环 ， 超真空 ， 原子氧和高能辐射。对暴露在这些极端条件下的材料进行测试和鉴定提供了数据 ， 使人们能够制造在地球上以及世界上最先进的卫星和航天器部件中使用的长寿命可靠部件。3. 低地球轨道倾斜 51 度和 90 分钟的轨道为国际空间站提供了一个独特的有利位置 ， 高度约为 240 英里 （ 400 公里 ） ， 轨道路径超过地球人口的 90 ％ 。与典型的地球遥感卫星的太阳同步轨道相比 ， 这可以提供更高的空间分辨率和可变的照明条件。5 目录实验室是开放的3国际空间站研究环境的独特特征5为什么使用 ISS 作为果蝇研究实验室7研究问题8研究领域9过去研究的结果11国际空间站研究的机会 ： NASA 和 CASIS13NASA13CASIS13征集、建议和资助14ISS 上的设施以及如何选择它们15实验设施15- 果蝇实验室15FFL 第一阶段系统16FFL 第二阶段系统21- 最近流入22心脏苍蝇23艾姆斯飞行实验 （ AFEx ）25- 在发展中26通风箱 (VFB)26多用途变重力平台 (MVP)27STaARS - 1 平台28多用途设施30ISS 的零下 80 度 C 实验室冷冻机 （ MELFI ）30微重力科学 Glovebox31经验教训32常规 - 有效载荷 / 实验物流与运营32物流和运营场景33国际空间站的发展与飞行研究35进行空间研究 ： 环境条件35- 微重力35- 辐射暴露35- 环境气体浓度和压力36实验住宿36开发你的太空飞行实验37- 首席研究员 （ PI ） 角色和职责37- 实施团队角色和责任38太空飞行实验的定义 ， 文档和测试38- 航天实验要求的制定38- 科学地面测试39- 地面控制39- 硬件生物相容性测试39- 项目集成测试39进行太空飞行实验 ： 有效载荷飞行操作39融资机会 / 联系点41引文42附录44国际硬件设施446首字母缩略词45 7为什么使用 ISS 作为果蝇研究实验室?在过去的 40 亿年中 ， 生命已经进化并适应了地球上许多物理和环境的变化。但是 ， 一个关键特征是重力在其加速度为 9.8 ms 时的存在-2没有改变。因此 ， 由于重力在地球周围的连续自由落体 ， 重力在国际空间站上的模拟缺失 （ 或微重力 ） 为分子 ， 细胞 ， 组织和整个生物体适应的新发现提供了独特的机会。研究遗传和分子生物学对微重力和分数重力的反应以及重力改变对小型复杂生物体的发育 ， 免疫 ， 行为 ， 压力和繁殖的影响的能力是缺乏的 ， 但所有国际合作伙伴都希望进行在轨空间生物学研究。NRC 十年调查 “重新捕捉太空探索的未来 ： 生命和物理 ” 都规定了利用果蝇 （ 果蝇 ） 研究模型的必要性新时代的科学研究 ” （ 国家研究委员会 ， 2011 年 ） 和 NASA 空间生物科学计划 （ NASA ， 2015 年 ） 。 NRC报告指出 ， “果蝇非常适合阐明多代和多代之间对太空环境的某些分子 ， 遗传 ， 细胞和生理反应。 ” NASA 报告将果蝇确定为促进 NASA 太空生物学 ， NASA 人类研究计划和空间的商业利用。图 1 ： 可以在太空环境中研究各种发育阶段。 8果蝇 Derophila melanogaster 提供了一种特征良好的模型生物 ， 该生物既遗传复杂 ， 又在其栖息地和生命支持需求方面相对适中。它的一些特征是 ：•果蝇有 3 条染色体 ， 加上 X 和 Y ； 整个果蝇基因组已经测序•77 ％ 的果蝇蛋白与其他生物体匹配 （ Reiter 等人 ， 2001 ）•成人大小只有 3 毫米长 ； 鸡蛋长 0.5 毫米•雌性一天可以产下多达 100 个卵•发育从受精到成年只需要大约 10 天研究问题主题区域潜在的研究问题免疫系统生物体的正常防御系统是否在功能和路径 -微 / 分数 / 超重力 ？ 先天免疫系统如何中的 gen 相互作用受太空飞行影响的苍蝇 ？ 我们能识别稳定的分子吗微重力对感染的免疫反应的标记 ， 以允许评估这种反应的变化 ？ 我们能更好地理解吗氧化应激在遗传和分子空间的变化水平和测试候选人的对策 ？心血管重力和辐射水平的变化是否会影响基因表达系统功能与心脏功能有关 ？ 心脏的肌肉细胞会失去微重力在微重力环境中的力量 ？ 心律失常更多可能在微重力暴露后发展 ？ 可以观察到任何更改在返回到 1g 时被逆转 ， 或通过人为抵消太空飞行中的重力 ？长的影响 -在改变的重力环境中生长的生物体是否会发育Term Spaceflight on正常吗 ？ 繁殖、寿命和老化过程发展 ， 老龄化受影响 ？ 在多代中看到了什么影响 ， 如果有的话和行为在太空飞行中生长的苍蝇 ？ 苍蝇的死亡率增加了吗暴露于太空飞行 ？ DNA 如何损伤和修复 ，突变和凋亡发生在一个基本水平 ？能否定义辐射和微重力的综合影响在分子水平 ？ 神经行为效应的指数是什么在太空飞行期间看到的 ？长的影响 -重力的变化是否会影响基础代谢率和新陈代谢Term Spaceflight on生命系统 ？ 基因表达和蛋白质的变化基因和蛋白质在改变的重力环境中的生产在返回时可逆表达式1g?表 1 ： ISS 上果蝇研究的机会。 9研究领域果蝇在现代实验室中被广泛使用。科学家已经对果蝇的完整基因组进行了测序。数百种具有已知遗传改变的突变果蝇菌株被用于研究分子生物学 ， 发育 ，许多基本的生物过程 ， 如胚胎发育、骨骼肌和心肌功能、神经系统功能和昼夜节律 ， 与高等生物如啮齿动物和人类相比 ， 是高度保守的 （ 非常相似 ） ， 使得果蝇研究的结果与更复杂的系统高度相关。果蝇繁殖并迅速成熟，从受精到成年仅需要约 10 天 （ 图1).这允许在小栖息地内对大量统计上重要的生物进行快速的多代研究。因此，果蝇为研究在太空飞行过程中改变的细胞和生物体水平的过程以及任何改变对宇航员健康构成的风险提供了实用的模型，特别是在长期任务期间。这些研究可以促进未来对策的发展。例如，免疫系统的细胞和分子功能在苍蝇和人类之间是高度保守和相似的。苍蝇反映了飞行后在人类中观察到的许多先天免疫变化，并作为一个有用而简单的模型，用于理解太空飞行相关影响宿主先天免疫的潜在分子机制 （ Marc 等人。， 2011) 。苍蝇和人类也有许多相同的遗传和分子途径控制心脏发育和功能。研究人员于 2014 年在一个简单的试管系统中将果蝇送到 SpaceX - 3 上的 ISS，以研究太空飞行是否会增加心脏功能障碍和心律失常，暴露于微重力是否会改变心脏细胞结构，以及心脏是否有任何遗传和生理变化可以在返回地球重力后逆转 （ Ocorr，2015 ） 。果蝇的快速成熟和短寿命使其成为研究重力改变对发育和衰老的长期影响以及对后代的影响的理想模型。长时间的实验将使科学家能够寻找基因和基因表达随时间和世代的变化。果蝇与人类共享其基因组的很大一部分 ， 并且大约四分之三的已知影响人类疾病的基因在果蝇中具有同源物 （ Reiter ， 2001 ） 。此外 ， 在果蝇中 ， 大多数蛋白质由单个基因编码 10而哺乳动物的基因组更加冗余，多个基因编码相同或相似的蛋白质，使遗传操作更加复杂。因此，暴露于太空飞行的果蝇的全基因组研究可以为人类的进一步研究提供信息。作为 GeeLab 研究的一部分，NASA 当前的目标是将从 ISS 上的果蝇和其他模型生物中采样 DNA，RNA，蛋白质和代谢物 （ NASA Ames 研究中心，2014 年 ） 。然后将原始数据上传到开源生命科学数据库中，该数据库包含已在国际空间站上飞行的组织和生物的整合基因和生物分子 “图谱 ” （ NASA，2016 年 ） 。目标是促进对集合的访问。全球科学界整合的基于空间的 “组学 ” 数据，用于数据挖掘，并与来自地球上产生的模型生物和人类的类似数据进行比较。NASA 打算向该机构以外的科学家提供赠款资金，作为这项前沿研究的多方研究团队的一部分，这些研究可以将太空生物学研究的好处应用于人类在太空中的探索和地球上的人类医学。在太空中研究果蝇也有可能深入了解地球上的正常生物过程。微重力暴露是一项独特的生物学挑战，它揭示了单细胞和其他更简单的生物系统中的遗传和分子机制，需要在果蝇和脊椎动物等更复杂的整体生物中进行研究 （ NASA，2015 ； 国家研究委员会，2011 ） 。 11过去研究的结果果蝇是第一批送入太空的动物，已在微重力，超重力和重力轴 （ 响应重力的运动 ） 的地球和太空研究中广泛使用。基于果蝇的研究具有以下优点 ： 个体体积小，人口数量大，用于操纵果蝇基因组的强大遗传工具，饲养简单，维护所需资源最少，并且与空间有效载荷限制在功率，体积和质量分配上的兼容性。飞行硬件的最新发展使使用果蝇在太空中进行更有效的科学 （ Marc 等人。， 2011) 。几十年来，研究人员一直使用果蝇来探测微重力和其他太空飞行条件与电离辐射的综合影响，电离辐射在太空中明显高于地球。从 1960 年代到 1990 年代的研究表明，与单独暴露于任一变量相比，辐射暴露和微重力结合会导致更多的遗传变化，通常是有害的 （ Oster，1968 ） 。使用果蝇进行的早期生物卫星研究表明，辐射与失重相互作用，可诱导活跃生长的果蝇过早衰老和染色体损伤 （ 见表 2 ） 。在苏联早期轨道站上进行的多代研究表明，与仅暴露于两个变量之一的果蝇相比，在太空飞行前照射的果蝇在其第一代后代中的基因突变有统计学上的显着增加 （ Valia 等人。， 1981) 。航天飞机的研究表明，暴露于太空飞行的对辐射敏感的雄性苍蝇在雄性后代中的致死突变增加 （ Ieaga 等人。， 1997) 。果蝇的研究还揭示了与重力感知和重力对昼夜节律的影响有关的几个基因 （ Toma 等人。， 2002 ； 阿姆斯特朗等人。， 2006) 。映射影响重力轴的中枢神