Il significato degli esperimenti scientifici sulla ISS

Organismi modello: esempi luminosi di efficace ricerca in Biologia

In laboratorio, Camille Alleyne, assistente scienziato programmando  lo Science Program dell'Ufficio internazionale sulla Stazione Spaziale ha  spiegato il ruolo di organismi modello per la ricerca in condizioni di microgravità.

 Perché i biologi usano il termine "organismo modello?" Questo non implica che queste specie particolari costuituiscanoun esempio per gli altri nel loro genere. Piuttosto, hanno caratteristiche che permettono loro facilmente da mantenerli, riprodurli e studiarli in un laboratorio. Condurre la ricerca di base su organismi modello aiuta i ricercatori a capire meglio i meccanismi cellulari e molecolari del corpo umano, oltre a come si propagano le malattie. Questo perché le origini di tutte le specie viventi si sono evolute dallo stesso processo di vita che è condiviso da tutti gli esseri viventi.

Organismi modello possono essere piante, microbi (ad esempio, lievito) o animali (ad esempio, le mosche, i pesci, vermi e roditori), che sono tutti ampiamente studiati e hanno un patrimonio genetico, relativamente ben documentato e ben compreso dagli scienziati. I ricercatori favoriscono questi organismi perché crescono in tempi relativamente brevi e hanno tempi brevi di generazione, il che significa che rapidamente producono nuova prole. Essi sono anche di solito poco costosi da lavorare e sono molto accessibili, che li rende ideali per la sperimentazione.

A bordo della Stazione Spaziale Internazionale

, i ricercatori che conducono studi su discipline  con l’utilizzo di animali e piante e quindi sulla loro biologia, preferiscono utilizzare anche "organismi modello". In diversi studi, gli scienziati utilizzano questi soggetti di prova per avanzare la loro conoscenza di processi biologici fondamentali, giacché sono, già ben noti, come specie specifiche, su cui si basa la sperimentazione sulla Terra.

I ricercatori usano organismi modello per studiare come  la microgravità colpisce le cellule. Esaminando gli effetti dell'ambiente spaziale per lo sviluppo di un organismo, sulla crescita e processi fisiologici, psicologici e d’invecchiamento, possono portare a una migliore comprensione di alcune malattie e alle questioni connesse con la salute umana.

Le cellule si comportano in modo diverso nello spazio che sulla Terra perché i fluidi che si trovano in tutte cellule, si muovono in modo diverso, quando si trovano in ambiente di microgravità. La natura fondamentale dei cambiamenti cellulari, tra cui la sua forma e struttura, come i segnali passano avanti e indietro tra le cellule, come si differenziano o si dividono, come crescono e metabolizzano e alterazioni che vengono provocate al tessuto in cui le cellule vivono. Biologi dello sviluppo possono imparare molto da questi adattamenti.

La ricerca biologica in contenitori (BRIC) Serie esperimento d’indagini stazione spaziale, per esempio, si concentra sulla zona della biologia vegetale. Lo studio utilizza il crescione Thale (Arabidopsis thaliana)

come organismo modello. Gli scienziati guardano le risposte biologiche molecolari e l'espressione genica fondamentale di questi impianti per l'ambiente di microgravità. Questa piccola, pianta fiorita, ha già un ben individuata sequenza-ricercatori-genoma, nel senso che ha già una mappa per l'eredità dei caratteri genetici dell'organismo. Queste caratteristiche sono ciò che controllano le caratteristiche di un organismo, come appare, si comporta e si sviluppa nel tempo.

Il crescione Thale è sviluppato circa da tre a sette decimi di pollice di altezza ed è in grado di produrre prole in grandi quantità in circa sei settimane. Essa ha anche il vantaggio di un genoma di piccole dimensioni, così non è complicato per lo studio e l'abbondanza di mutanti genetiche disponibili permette di avere varie aree d’interesse nella ricerca. In particolare nelle indagini BRIC-16, Anna-Lisa Paul, e Robert Ferl, presso l'Università della Florida a Gainesville hanno esaminato i cambiamenti nel sequenziamento del genoma e del DNA di queste piante. I risultati assisteranno i ricercatori spaziali per capire come mantenere la qualità e la quantità del cibo nei voli spaziali di lunga durata, oltre a fornire e mantenere sistemi di supporto vitale. Ci sono anche le applicazioni terrestri, tra cui la comprensione dei processi di base di piante che possono aumentare la nostra capacità di controllare in modo più efficace le piante per scopi agricoli.

Nel campo della biologia animale, ci sono numerose indagini che utilizzano una varietà di specie modello come soggetti. Nell'inchiesta Micro-5, gli investigatori utilizzano un organismo denominato Caenorhabditis elegans. Questo modello surrogato umano aiuta a capire meglio i rischi di flessioni di voli per astronauti durante tutta la durata di un lungo volo spaziale.

C. elegans nemotodes

, o vermi tondi, sottoposti a esame da altri scienziati del progetto. I vermi sono i discendenti di quelli che facevano parte di un esperimento che ha volato sulla missione finale dello Space Shuttle Columbia, STS-107. .  C. elegans è un nematode trasparenti, che vive in ambienti di suolo temperato. I nematodi sono poco costosi e facili da coltivare in quantità,producono grande prole con un tempo di generazione di circa tre giorni. I membri di questa specie hanno gli stessi organi come gli altri animali, il che rende la scelta ideale  come organismo modello. In questo studio, i nematodi C. elegans saranno infettati con il microbo salmonella (Salmonella typhimurium), che provoca intossicazioni alimentari negli esseri umani ed è noto per diventare più virulento in microgravità. Questo significa che aumenta le sue potenzialità nel causare la malattia. Studiando questa combinazione di ospite-patogeno fornito ai ricercatori con un'idea di come questo batterio risponderà negli esploratori dello spazio, se infetti. La conoscenza pone una solida base per lo sviluppo di vaccini e altri trattamenti innovativi per le malattie infettive.

Un altro modello è la Candida albicans, un fungo opportunista o lievito che esiste in uno stato inattivo in circa tre persone su quattro. Essa ha una maggiore potenzialità per diventare attivo negli individui con sistema immunitario compromesso, da qui il termine "opportunistico". Quando è attivo, questo patogeno provoca infezioni mughetto o lievito. Facilmente mutato, i geni di quest’organismo, sono facilmente utilizzabili per la ricerca. Gli investigatori hanno usato questo modello per lo studio Micro-6, durante la Spedizione 34/35. Come in altri organismi modello, il corredo genetico ben compreso di questo fungo ha reso più facile per gli scienziati, identificare i cambiamenti che si sono verificati in condizioni di microgravità. Ciò ha portato a una migliore comprensione e a risposte fisiologiche fondamentali, su questi funghi e la loro capacità di causare malattie infettive.

Su una scala più ampia, una delle più importanti adattamenti del corpo umano al volo spaziale è la perdita di densità minerale ossea. La comprensione dei meccanismi attraverso i quali le ossa abbattono e costruscono di nuovo in quest’ambiente estremo è fondamentale per l'esplorazione spaziale umana. Per comprendere questi fenomeni più pienamente, i ricercatori studiano anche il pesce Medaka (Latipaes Oryzias) nell’habitat acquatico

(AQH) a bordo della stazione spaziale.

L'immagine qui sopra mostra un habitat acquatico (AQH) camera campione alloggiamento Medaka pesce per lo studio. (JAXA)

Questi animali si trovano in Asia e sono un modello ampiamente utilizzato nella ricerca biologica. Sono vertebrati nel senso che hanno vertebre dorsali, che li rendono una buona scelta per studiare l'attività delle ossa.  I Medaka hanno anche un genoma ben mappato, un breve periodo di gestazione e si riproducono con estrema facilità. Sono resistenti e possono sopravvivere in acqua dei vari livelli di salinità.

Nell'inchiesta per studiare l’osteoclastia, con i Medaka gli investigatori hanno studiato il processo con cui l'osso si rompe con l'attività delle cellule ossee noto come osteoclasti. La trasparenza del pesce  ha dato ricercatori una vista nel meccanismo di questo processo che non sarebbe possibile con altre specie ittiche. L'obiettivo di questa ricerca è di approfondire le nostre conoscenze sulla salute delle ossa umane, con conseguente sviluppo di trattamenti e contromisure sia per gli astronauti che vivono nello spazio e sia nei pazienti che soffrono di osteoporosi sulla Terra.

Nel prossimo anno, la stazione spaziale aggiungerà due nuove strutture come risorse di ricerca per ospitare un paio di organismi modello distinti. Il primo è l’ habitat di un moscerino della frutta (Drosophila melanogaster) . Questo tipo di insetto è una delle 1.200 specie del genere di mosche  particolarmente favorevole nella ricerca genetica. Si può essere sorpresi di sapere che i geni di D melanogaster sono molto simili a quelli degli esseri umani. Più della metà dei nostri geni che mappano alle malattie sono stati trovati per adeguarli a quelli di moscerini della frutta.

Giacché i moscerini della frutta si riproducono rapidamente e il loro genoma è completamente sequenziato, servono come buoni modelli per lo studio delle malattie in un tempo molto più breve di quanto ci sarebbe voluto attraverso nella ricerca umana. Nel volo spaziale umano, gli scienziati continueranno a usare i moscerini della frutta come modello per testare l'espressione genica in ambiente spaziale, aggiungendolo al lavoro che viene fatto sulla navetta spaziale.

Sharmila Bhattacharya, è il principale ricercatore per la Fungal Patogenesi, Tumorigenesis ed Effetti di immunità Host in voli spaziali, indagine (FIT) di frutta. In questa immagine, Bhattacharya sta ispezionando i contenitori esperimento volare prima del volo. (NASA)

Il secondo habitat che verrà sulla stazione spaziale ospiterà roditori. I topi (Mus musculus) sono i più conosciuti della specie modello nella ricerca scientifica, perché il loro codice genetico e le caratteristiche fisiologiche sono molto simili agli esseri umani. Sono mammiferi vertebrati con un tempo di generazione di solo 10 settimane. Il loro genoma è molto ben sequenziato e compreso, e sono facili da mutare e analizzare.

I topi, più che qualsiasi altro organismo modello animale , permetteranno ai ricercatori di studiare al di là solo il ciclo cellulare. Essi hanno la possibilità di avanzare la  comprensione fondamentale su altri sistemi umani, come il sistema immunitario, cardiovascolare e nervoso, per citarne alcuni. I topi affetti da varie malattie, tra cui l'osteoporosi, il cancro, il diabete e il glaucoma, possono portare i ricercatori a scoperte che incrementeranno le opzioni di trattamento.

Questi sviluppi e risultati di passate, presenti e future indagini a bordo della stazione spaziale continuano a consentire progressi ai biologi nei loro studi. Come i ricercatori comprenderanno meglio l'adattamento di organismi modello in un ambiente di microgravità, faciliteranno ai futuri medici i modi di gestire la salute umana, sia nello spazio e sia sulla Terra.