नासा GeneLab मंच जैविक spaceflight प्रयोगों से कीमती ओमिक्स डेटा को निरंकुश पहुँच प्रदान करता है. हम वर्णन कैसे एक ठेठ माउस प्रयोग अंतरिक्ष में आयोजित की जाती है और कैसे इस तरह के प्रयोगों से डेटा तक पहुंचा और विश्लेषण किया जा सकता है ।
अंतरिक्ष में जैविक प्रयोगों के प्रदर्शन के लिए विशेष आवास और प्रक्रियाओं की आवश्यकता है सुनिश्चित करने के लिए कि इन जांच प्रभावी ढंग से और कुशलता से प्रदर्शन कर रहे हैं । इसके अलावा, इन प्रयोगों की आवृत्ति को देखते हुए यह जरूरी है कि उनके प्रभावों को बड़ा किया जाए. ओमिक्स प्रौद्योगिकियों के तेजी से प्रगति के लिए एक नाटकीय रूप से कीमती spaceflight नमूनों से उत्पादित डेटा की मात्रा में वृद्धि का अवसर प्रदान करता है । इस पर कैपिटल लगाने के लिए, नासा ने spaceflight ओमिक्स डेटा को अप्रतिबंधित पहुंच प्रदान करने के लिए GeneLab प्लेटफार्म विकसित किया है और इसके व्यापक विश्लेषण को प्रोत्साहित किया है । कुतर (चूहों और चूहों दोनों) अंतरिक्ष संबंधी जैविक प्रभावों की जांच करने के लिए वैज्ञानिकों द्वारा इस्तेमाल किए जाने वाले आम मॉडल जीव हैं । बाड़े कि spaceflight के दौरान घर कुतर कुतर निवास (पूर्व में पशु बाड़े मॉड्यूल) कहा जाता है, और उनके आयामों, हवा के प्रवाह में मानक vivarium पिंजरों से काफी अलग हैं, और पानी और भोजन के लिए उपयोग । इसके अलावा, अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस) पर पर्यावरण और वायुमंडलीय स्थितियों के कारण, जानवरों को एक उच्च सह2 एकाग्रता के संपर्क में हैं । हमने हाल ही में बताया कि मूषक निवास में चूहे अपने transcriptome में बड़े बदलाव का अनुभव करते हैं चाहे पशु जमीन पर हों या अंतरिक्ष में । इसके अलावा, इन परिवर्तनों को एक hypoxic प्रतिक्रिया के अनुरूप थे, संभवतः उच्च सह2 सांद्रता से प्रेरित । यहां हम वर्णन कैसे एक ठेठ कुतर प्रयोग अंतरिक्ष में किया जाता है, कैसे इन प्रयोगों से डेटा ओमिक्स GeneLab मंच के माध्यम से पहुंचा जा सकता है, और इस डेटा में महत्वपूर्ण कारकों की पहचान कैसे करें । इस प्रक्रिया का प्रयोग, किसी भी व्यक्ति महत्वपूर्ण खोजों कि भविष्य अंतरिक्ष मिशन और गतिविधियों के डिजाइन बदल सकता है बना सकते हैं ।
इस पांडुलिपि का समग्र लक्ष्य नासा के GeneLab प्लेटफॉर्म1 का उपयोग करने के तरीके की एक स्पष्ट पद्धति प्रदान करना है और अंतरिक्ष में कैसे कुतर गए प्रयोगों का विश्लेषण के लिए ओमिक्स डेटा का अनुवाद किया जाता है । Spacefaring मनुष्य बदल गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों से कई स्वास्थ्य जोखिमों को उजागर कर रहे हैं, अंतरिक्ष विकिरण, पृथ्वी से अलगाव, और अन्य शत्रुतापूर्ण पर्यावरणीय कारकों2,3,4,5, 6. जैविक प्रयोगों अंतरिक्ष में और जमीन पर प्रदर्शन को परिभाषित करने में मदद मिली है और इन जोखिम यों तो7,8,9,10,11, 12 , 13 , 14. अंतरिक्ष में, इन प्रयोगों अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन (आईएसएस), अंतरिक्ष शटल, और अंय कक्षीय प्लेटफार्मों पर आयोजित किया गया है । इन प्रयोगों का आयोजन विशेष हार्डवेयर और सीमित क्रू समय और microgravity पर्यावरण सहित अंतरिक्ष में प्रयोगों प्रदर्शन के अद्वितीय चिंताओं को देखते हुए पद्धति की आवश्यकता है । विभिन्न प्लेटफार्मों अब संयंत्र, पशु, और माइक्रोबियल मॉडल15का उपयोग कर अंतरिक्ष में परिष्कृत प्रयोगों के प्रदर्शन के लिए मौजूद हैं ।
कुतर मॉडल विशेष रूप से कैसे स्तनधारियों, मनुष्यों सहित, spaceflight का जवाब हमारी समझ को आगे बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण हो गया है । ये मांसपेशी संरचना16,17,18 और प्रतिरक्षा कार्य19,20,21पर spaceflight के प्रभाव में शामिल हैं । पृथ्वी पर आवास कुतर के लिए इस्तेमाल किए गए मानक vivarium पिंजरों spaceflight प्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं हैं22,23. इसलिए, वर्षों चूहों और चूहों पर भेजा गया है और जापानी एयरोस्पेस अन्वेषण एजेंसी (JAXA) पर्यावास पिंजरे24, पशु ले जाने अंतरिक्ष BION पर इस्तेमाल किया कैप्सूल-एम 1 मानव रहित रूसी उपग्रह 25 सहित विभिन्न पिंजरों में स्थित है ,26,27, चूहों दराज प्रणाली (MDS) इतालवी अंतरिक्ष एजेंसी द्वारा डिजाइन28,29,30, नासा पशु संलग्नक मॉड्यूल (AEM), और अब नासा कुतर गए ट्रांसपोर्टर और वास23. कुतर प्रयोगों पहले बोर्ड पर शुरू अंतरिक्ष शटल पशु संलग्नक मॉड्यूल (AEM) के रूप में निर्दिष्ट पिंजरों का उपयोग कर । यह हार्डवेयर स्पेस शटल23पर 27 कुतर प्रयोगों में इस्तेमाल किया गया था । AEM मूलतः पर अपेक्षाकृत कम प्रयोगों के लिए विकसित किया गया था-शटल बोर्ड (< 20 दिन) । आईएसएस के विकास के बाद से, AEMs अब अवधि के प्रयोगों के लिए संशोधित किया गया है और अब कुतर निवास22,23के रूप में भेजा जाता है । नए मूषक निवास अंतरिक्ष स्टेशन (एक्सप्रेस) रैक इंटरफेस के लिए प्रयोगों के प्रसंस्करण में तेजी का उपयोग कर आईएसएस में लंबी अवधि के मिशन का समर्थन करने के लिए डिजाइन किए हैं । मूषक निवास अपने आयामों में मानक vivarium पिंजरों से काफी अलग हैं, हवा का प्रवाह, फिल्टर और निकास प्रणाली, और भोजन और पानी के लिए उपयोग (चित्रा 1) । फिर भी, इस हार्डवेयर के लिए एक प्रभावी अनुसंधान मंच साबित हो गया है, स्तनधारी फिजियोलॉजी19,31,३२,३३ को spaceflight प्रेरित परिवर्तन में महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि सक्षम ,३४,३५,३६.
ओमिक्स डेटा के बड़े खंड अब कुतर के साथ प्रदर्शन उन सहित जैविक spaceflight प्रयोगों से उत्पंन किया जा सकता है । हाल ही में, इन ओमिक्स प्रयोगों से डेटा सार्वजनिक रूप से नासा GeneLab मंच1 के माध्यम से उपलब्ध किया गया है जो एक व्यापक डेटा भंडार और विश्लेषण मंच है कि किसी को भी spaceflight प्रयोगों से परिकल्पनाओं का विकास करने की अनुमति देता है । GeneLab खोज, पहुंच, साझाकरण और डेटा के विश्लेषण के लिए उपकरण प्रदान करता है । हम GeneLab डेटासेट का उपयोग करने के लिए कि मानक vivarium पिंजरों और विशिष्ट मूषक स्थान में प्रयुक्त निवास के बीच मतभेदों को दिखाने३६चूहों के transcriptome में भारी अंतर के कारण । हमने चार विभिंन सार्वजनिक रूप से उपलब्ध डेटासेट का विश्लेषण किया, जो या तो मूषक निवास या मानक vivarium पिंजरों में स्थित कुतर से विभिंन ऊतकों की तुलना कर रहे हैं । एक निष्पक्ष प्रणालियों जीवविज्ञान विश्लेषण का उपयोग करना, हम निर्धारित किया है कि मुख्य ड्राइवरों और रास्ते कि बदल रहे थे उच्च सह2 आईएसएस पर उच्च सह2 सांद्रता की वजह से स्तर के कारण hypoxic प्रतिक्रिया के अनुरूप थे, जो उच्च सह की ओर जाता है 2 कुतर आवास में सांद्रता दिया है कि वे निष्क्रिय प्रणालियों कि परिवेश हवा में ले रहे हैं । यह दर्शाता है कैसे वैज्ञानिकों खुला स्रोत उपकरण और डेटा का उपयोग कैसे आईएसएस प्रभावों अंतरिक्ष यात्री स्वास्थ्य के पर्यावरण पर निहितार्थ के साथ उपंयास निष्कर्षों उत्पंन कर सकते हैं ।
यहाँ हम वर्णन कैसे कुतर प्रयोगों अंतरिक्ष में प्रदर्शन कर रहे हैं और कैसे इन प्रयोगों से डेटा एक खुले स्रोत के माध्यम से पहुँचा जा सकता है, अंतरिक्ष जीवविज्ञान से संबंधित omic मंच. हम अंतरिक्ष मिशन के लिए इस्तेमाल किया कुतर निवास के विंयास पर चर्चा, और कैसे spaceflight ऊतकों संसाधित कर रहे हैं । हम यह भी वर्णन कैसे spaceflight ओमिक्स डेटा की खोज की जा सकती है और GeneLab पर पहुंचा और कैसे कुंजी spaceflight को समग्र प्रतिक्रिया ड्राइविंग कारकों३६पहचान की जा सकती है । विशिष्ट उदाहरण हम कैसे इस प्रोटोकॉल को लागू किया जाता है पर पेश करेंगे जैविक मूषक में कुतर आवास और vivarium नियंत्रण है कि Beheshti एट अल.३६द्वारा प्रकाशित किए गए थे में होने वाले मतभेदों की तुलना होगी । यह नोट करना महत्वपूर्ण है कि जमीन नियंत्रण spaceflight कुतर प्रयोगों के लिए आवश्यक हैं । के रूप में इस प्रोटोकॉल में वर्णित है, इन नियंत्रणों दोनों समान शर्तों के साथ किया जाता है (यानी, सह2 शर्तों, आर्द्रता, तापमान, पिंजरे आयाम, आदि) आईएसएस पर कुतर आवास में और मानक vivarium पिंजरों में है कि मानक है पर्यावरण (यानी, सह2 शर्तों, आर्द्रता, और तापमान) पृथ्वी पर स्थिति । कुतर गए निवास में कुतर गए मकान जमीन नियंत्रण अंतरिक्ष में कुतर के लिए प्रत्यक्ष तुलना के लिए अनुमति देते हैं । जबकि vivarium पिंजरों में स्थित कुतर अलग आवास (जैसे, vivarium पिंजरों कुतर हार्डवेयर बनाम) के बीच जैविक तुलना के लिए अनुमति देते हैं । मूषक वास में vivarium पिंजरों से अलग है कि यह लगातार हवा का प्रवाह है (0.1-0.3 मी), एक लंबी अवधि, और एक माध्यमिक निकास फिल्टर है कि कब्जा और पशु अपशिष्ट microgravity में लगातार हवा के प्रवाह से निकास फिल्टर करने के लिए निर्देशित अवशोषित । इसके अलावा, मूषक निवास निष्क्रिय प्रणालियों और सेवन परिवेशी वायु है; इसलिए, वे भी आईएसएस केबिन (~ ५,००० पीपीएम) में ऊंचा स्तर के कारण उच्च सह2 सांद्रता है ।
नासा GeneLab मंच एक व्यापक ओमिक्स डाटाबेस और विश्लेषण मंच है कि वैज्ञानिक समुदाय अंतरिक्ष जीवविज्ञान से संबंधित उपंयास परिकल्पनाओं उत्पंन करने की अनुमति देगा । यहां हम एक सार्वजनिक रूप से उपलब्ध अंतरिक्ष जीवविज्ञान मंच का उपयोग डेटा का विश्लेषण से उपंयास परिकल्पना की पीढ़ी के लिए spaceflight की शुरुआत से कुतर प्रयोगों के लिए एक व्यापक प्रक्रिया प्रस्तुत किया है । इसके अलावा, हम भी महत्वपूर्ण प्रणाली ड्राइविंग जीन की पहचान के लिए एक निष्पक्ष प्रणाली जीवविज्ञान विश्लेषण पर एक व्यापक प्रोटोकॉल प्रदान की है अध्ययन किया जा रहा है । हम कैसे इस प्रोटोकॉल को प्रभावी ढंग से अंतरिक्ष जीवविज्ञान के लिए एक उपंयास परिकल्पना उत्पंन करने के लिए उपयोग किया जाता है का एक उदाहरण के रूप में हमारे हाल के अध्ययन३६ का उपयोग है । हमें उंमीद है कि इस जांचकर्ताओं में मदद करता है बेहतर समझ कैसे spaceflight प्रयोग किया जाता है और कैसे उन से डेटा GeneLab पर उपलब्ध डेटा के लिए सीसा, और अंततः सार्वजनिक रूप से उपलब्ध अंतरिक्ष जीवविज्ञान ओमिक्स डेटा की स्पष्ट व्याख्या के लिए अनुमति देते हैं ।
दोनों कुतर spaceflight प्रयोगों और उत्पादित डेटा के विश्लेषण के बारे में हमारे प्रोटोकॉल के भीतर कई महत्वपूर्ण कदम हैं । spaceflight के लिए इष्टतम प्रयोग को विकसित करने और डिजाइन करने के लिए मूषक निवास सेटअप को समझना महत्वपूर्ण है । यह विशेष रूप से प्रोटोकॉल और विवरण हम अपने प्रोटोकॉल के चरण 1 में प्रदान की है आवश्यक होगा । एक बार एक अन्वेषक पूरी तरह से vivarium पिंजरों की तुलना में मूषक निवास में मौजूदा विभिन्न स्थितियों को समझता है, जैविक परिणामों की व्याख्या की जा रही अंतरिक्ष में पर्यावरण की स्थिति के लिए ठीक से संबद्ध किया जा सकता है. परिवर्धन में, मूषक निवास के लिए संशोधन किया जा सकता है, के बाद से कुतर आवास इष्टतम डिजाइन किया गया है और spaceflight के उपयोग के लिए नासा ने मंजूरी दे दी ।
जैविक परिणामों की व्याख्या करने के लिए, हम हर कदम पर एक पूरी तरह से प्रोटोकॉल प्रदान की है GeneLab को डेटा के विश्लेषण के लिए अपने डेटा अपलोड करने के लिए उपंयास अंतरिक्ष जीवविज्ञान परिकल्पना उत्पंन से जुड़े । सभी चरणों डेटा जनरेट करने के लिए कैसे समझने में महत्वपूर्ण हैं, यद्यपि डेटा विश्लेषण के लिए महत्वपूर्ण चरणों 9 और 10 चरण हैं । 9 कदम एक transcriptomic एक निष्पक्ष सिस्टम जीव विज्ञान विधि का उपयोग करने के लिए जीन/रास्ते कि वास्तव में प्रयोगात्मक हालत ड्राइविंग कर रहे है विश्लेषण किया जा रहा है डेटा का विश्लेषण करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदान करता है । चरण 10 महत्वपूर्ण है के रूप में यह एक आसान पद्धति के साथ उपयोगकर्ताओं को प्रदान करता है ओमिक्स GeneLab डेटासेट GeneLab मंच का उपयोग विश्लेषण । प्रदान की प्रोटोकॉल में संशोधन कुछ डेटा का विश्लेषण के बारे में कदम के लिए किया जा सकता है । विशेष रूप से, चरण 9.4 – 9.6 R प्रोग्रामिंग या किसी भी अंय पसंदीदा उपकरण है कि उपयोगकर्ता पसंद का उपयोग किया जा सकता है । डेटासेट पर निर्भर करते हुए, विभिन्न आँकड़े और गुना-परिवर्तन कटऑफ काफी विनियमित जीन का निर्धारण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इसके अलावा, ९.५ और ९.६ कदम में महत्वपूर्ण जीन का निर्धारण करने के लिए, उपयोगकर्ता इस प्रोटोकॉल को संशोधित करने और किसी भी उपकरण है कि काफी विनियमित जीन का इस्तेमाल कार्यों की भविष्यवाणी कर सकते हैं । महत्वपूर्ण अवधारणा है कि कई पूर्वानुमान कार्यात्मक ओमिक्स उपकरण का उपयोग कर प्रणाली में विनियमित किया जा रहा है कार्यों के बहुमत के साथ शामिल जीन के निर्धारण के लिए अनुमति देता है का अध्ययन किया जा रहा है ।
GeneLab मंच विकसित करने के लिए जारी है, और जबकि विश्लेषण यहां वर्णित डेटा डाउनलोड करने के बाद प्रदर्शन किया गया, GeneLab के अगले चरण GeneLab मंच है, जो एक आसान कार्यप्रवाह उत्पंन करने के लिए प्रदान करेगा पर सीधे ओमिक्स डेटा के विश्लेषण के लिए अनुमति देगा उच्च-क्रम विश्लेषण के लिए संसाधित डेटा । इसके अलावा, जबकि हम transcriptomic डेटा की व्याख्या के लिए एक प्रोटोकॉल पर ध्यान केंद्रित किया है, GeneLab proteomic, जीनोमिक, metabolomic, और epigenomic डेटा सहित ओमिक्स डेटा की एक विस्तृत विविधता शामिल है । अंतिम मंच पाइपलाइनों और ओमिक्स के इन विभिंन प्रकारों के विश्लेषण के लिए दिशानिर्देश शामिल होंगे । GeneLab के अंतिम चरण भी एक प्रणाली स्तर दृश्य अंतरफलक को लागू करने के लिए मूल उपयोगकर्ता आसानी से अंतरिक्ष जीवविज्ञान परिकल्पनाओं उत्पंन करने की अनुमति होगी ।
अंत में, हमारे सिस्टम जीवविज्ञान विश्लेषण प्रदान करता है एक अद्वितीय और निष्पक्ष विधि ओमिक्स डेटासेट का उपयोग अध्ययन किया जा रहा किसी भी प्रणाली में कुंजी ड्राइविंग जीन/मार्ग का निर्धारण करने के लिए । हम बहुत बड़ी सफलता के साथ कई अलग स्वतंत्र अध्ययन में इस पद्धति का इस्तेमाल किया है कुंजी ड्राइवरों शामिल निर्धारित३६,४५,४६,४७,४८,४९ ,५०. एक कैंसर से संबंधित ओमिक्स अध्ययन में, इस पद्धति का उपयोग कर हम प्रयोगात्मक पुष्टि की है कि हमारी भविष्यवाणी की प्रमुख जीन/मार्ग वास्तव में बाहर४५विट्रो में प्रमुख जीन दस्तक द्वारा दवा उपचार प्रतिक्रिया चला रहे थे । हमने देखा, के रूप में हम इस प्रोटोकॉल के माध्यम से भविष्यवाणी की थी, कि उपचार प्रभावी नहीं था और महत्वपूर्ण जीन के अभाव की वजह से । हमें विश्वास है कि इस निष्पक्ष सिस्टम जीवविज्ञान प्रोटोकॉल किसी भी ओमिक्स अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण रास्ते निर्धारित करने के लिए एक उपयोगी उपकरण हो सकता है ।
यह प्रोटोकॉल उपंयास अंतरिक्ष जीवविज्ञान परिकल्पनाओं की पीढ़ी के लिए एक त्वरित और कुशल विधि प्रदान करता है । GeneLab से उत्पंन डेटा भविष्य के वित्तपोषण के अवसरों, प्रयोगात्मक सत्यापन, और microgravity और अंतरिक्ष विकिरण के खिलाफ countermeasures के विकास के लिए संभावित लक्ष्यों के लिए जांचकर्ताओं द्वारा leveraged किया जा सकता है । यहां प्रदान की प्रोटोकॉल भविष्य अंतरिक्ष जीवविज्ञान जांच के लिए अनुमति के लिए इष्टतम दक्षता के साथ होने के लिए सुरक्षित दीर्घकालिक अंतरिक्ष मिशन के लिए अनुमति देगा ।
The authors have nothing to disclose.
हम के लिए धंयवाद देना चाहूंगा एलिसन नासा एंस के जीवन विज्ञान डेटा संग्रह में उसकी सहायता के लिए कुतर निवास से संबंधित वीडियो प्राप्त करने और पिंजरे से संबंधित जानकारी प्राप्त करने के साथ समग्र मदद के लिए । हम भी उचित जानकारी प्राप्त करने के साथ उसकी मदद के लिए नासा एंस अनुसंधान केंद्र में मरला Smithwick शुक्रिया अदा करना चाहते हैं । अनुसंधान धन नासा एंस अनुसंधान केंद्र में GeneLab परियोजना द्वारा प्रदान की गई थी, अंतरिक्ष जीवन और भौतिक विज्ञान अनुसंधान और अनुप्रयोगों (SLPSRA) के विभाजन में नासा के अंतरिक्ष जीवविज्ञान कार्यक्रम के माध्यम से । व्यापार के नाम का कोई भी उपयोग वर्णनात्मक प्रयोजनों के लिए ही है और अमेरिकी सरकार द्वारा समर्थन मतलब नहीं है ।
C57BL/6 Mice | The Jackson Laboratoy | C57BL/6J | C57BL/6 mice were used for datasets related to Rodent Research-1 experiments |
BALB/C Mice | Taconic | BALB | BALB/C mice were used for datasets related to Rodent Research-3 experiments |
Vivarium Cages | Charles River Laboratory | Standard murine cages purchased from Charles River Laboratory | |
Rodent Habitat | NASA | This cage and all components are built internally at NASA | |
RNAlater | ThermoFisher Scientific | AM7020 | RNAlater is used to store the tissue for further RNA isolation |