La tasa de error de la ADN polimerasa bacteriana es consistentemente más alta en microgravedad, muestra el estudio.

El 22 de mayo de 2019, los científicos de Queen’s University abordaron un avión Falcon 20 modificado en el aeropuerto de Ottawa. Se programó un vuelo de ‘cometa vómito’, donde el avión asciende repetidamente hasta 8 km en una parábola empinada, alternando con un descenso en caída libre. Durante la caída libre, a una velocidad de 3,3 km en 20 segundos, la gravedad sola, pero sin elevación, empuje o arrastre, funciona en el avión, lo que resulta en ingravidez. La misión de los científicos en estas difíciles condiciones era probar si las enzimas que copian el ADN son tan precisas en condiciones de ingravidez como en condiciones terrestres. Esta pregunta es de suma importancia para la exploración espacial futura, ya que la salud de los astronautas dependerá de la replicación precisa del ADN durante la división celular.

«Las llamadas ADN polimerasas son enzimas esenciales que copian y reparan el ADN. Inevitablemente, no son perfectas: incluso en condiciones ideales, a veces cometen errores. Aquí, mostramos que las ADN polimerasas derivadas de bacterias E. coli son considerablemente más propensos a errores en microgravedad, como en el espacio. Por lo tanto, nuestros resultados tienen importantes implicaciones para la salud de los astronautas «, dijo el autor correspondiente Aaron Rosenstein, entonces estudiante de la Queen’s University, Kingston, Canadá, y actualmente en la Universidad de Toronto.

Los resultados se muestran en el diario de acceso abierto. Fronteras en biología celular y del desarrollo.

Tasa de mutación ya más alta debido a la radiación espacial

Investigaciones anteriores han demostrado que, en el espacio, el ADN sufre una mayor tasa de mutación, por ejemplo, sustituciones de un solo nucleótido, enlaces cruzados, inversiones o deleciones, debido al daño causado por los rayos cósmicos y las partículas solares. Hasta ahora, no se sabía si el mecanismo de copia natural del ADN también se ve afectado por las condiciones de ingravidez en el espacio. Si las ADN polimerasas se vuelven menos precisas en el espacio, la ya alta tasa de mutación aumentará aún más a medida que se copia el ADN, con el cáncer como una de las posibles consecuencias para los astronautas.

Rosenstein y su supervisora ​​y coautora, la profesora Virginia K. Walker, muestran aquí por primera vez la tasa de error de una ADN polimerasa derivada de E. coli la bacteria es consistentemente más alta en microgravedad. Para lograr este resultado, Rosenstein y otros miembros del equipo de Queen’s University participaron en el ‘Desafío canadiense de diseño experimental de gravedad reducida’. Diseñaron un minilab semiautomático para permitir una sola ronda de replicación de un fragmento de ADN de 1.000 nucleótidos diseñado durante la fase ingrávida del vuelo parabólico. Sus resultados se pueden generalizar a las condiciones espaciales.

Se necesitaban ensayo y error para hacer que el microlaboratorio pudiera corregirse para el control por parte de investigadores mareados. «Experimentar la microgravedad es una experiencia única. Realizar incluso tareas simples como activar manualmente nuestro minilab puede volverse difícil. En microgravedad, pero también en la fase de vuelo de hipergravedad 2G posterior, una vez que se ha completado una parábola de gravedad cero», dijo Rosenstein.

Los autores muestran que la tasa de sustitución de una sola base, la tasa a la que el nucleótido timina (T) se empareja con un nucleótido incorrecto, por ejemplo, adenosina (A), en la hebra opuesta de la hélice de ADN, resultó ser del 10% para 140% más alto que en condiciones terrestres. Se encontraron tasas de mutación aumentadas similares para todas las sustituciones por pares entre los nucleótidos A, C, G y T, y de manera similar para las deleciones o inserciones aleatorias de uno a tres nucleótidos. Como se esperaba, la precisión también depende de si la ADN polimerasa conserva una funcionalidad de ‘revisión’, que verifica (y si es necesario elimina) cualquier nucleótido incompatible: una versión de la enzima cuya revisión se desactivó debido a mutaciones tenía aproximadamente un 50% sustitución más grande para evaluar.

La imprecisión de la replicación del ADN plantea un nuevo riesgo para la salud

Los investigadores concluyen que, combinada con el mayor riesgo de radiación en el espacio, la inexactitud de la replicación del ADN en microgravedad podría representar riesgos para la salud de los astronautas durante períodos prolongados en el espacio, como se planeó para las misiones a la Luna y Marte.

«Demostramos que las ADN polimerasas similares a las que se encuentran en las mitocondrias, las células centrales, cometen más errores en la microgravedad. El efecto combinado de mayor daño y menor precisión de replicación puede conducir a un envejecimiento prematuro en los astronautas. Nuestros resultados muestran la importancia del diseño rotatorio naves espaciales que generan gravedad artificial, para evitar estos efectos negativos. ¡Nos encantaría que nos invitaran a repetir nuestros experimentos en esta nave espacial! ”concluyó Walker.