Die Besatzung des rein zivilen Raumfluges SpaceX Inspiration4 führt während ihres Fluges biologische Forschungen durch.(Bildnachweis: SpaceX/Inspiration4)
Die vier Besatzungsmitglieder von Inspiration4, der ersten rein zivilen Weltraummission, wurden während ihres Aufenthalts im All genetisch jünger, wie eine Studie ergab. Aber die Auswirkungen hielten nicht lange an. Die Wissenschaftler versuchen nun herauszufinden, wie sich die Weltraumumgebung auf die menschliche DNA auswirkt.
Inspiration4-Besatzungsmitglieder hatten während ihres dreitägigen Ausflugs ins All im September 2021 ein volles Programm. Anstatt einfach nur in der Schwerelosigkeit zu schweben und die atemberaubende Aussicht aus ihrer modifizierten Crew Dragon Resilience-Raumkapsel zu genießen, stellten sie ihren Körper der Wissenschaft zur Verfügung.
Hayley Arceneaux, die leitende medizinische Offizierin der Mission und ausgebildete medizinische Assistentin, war während ihres Aufenthalts im Orbit damit beschäftigt, Blutproben und Hautabstriche von sich und ihren Besatzungsmitgliedern zu nehmen. Nach ihrer Rückkehr zur Erde wurde eine Reihe von Tests durchgeführt, die sich über mehrere Monate hinzogen.
Die Ergebnisse dieser Experimente wurden am Dienstag, den 11. Juni, in drei wissenschaftlichen Artikeln in den Fachzeitschriften Nature und Nature Communications veröffentlicht. Die Tests haben gezeigt, dass die Weltraumumgebung schnell wirkende und tiefgreifende Auswirkungen auf den menschlichen Körper hat, die bereits nach wenigen Stunden im Orbit anhand von Markern im Blut nachgewiesen werden können.
NASA, JAXA und die Europäische Weltraumorganisation haben bereits ähnliche Experimente mit Astronauten während Langzeitaufenthalten auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, aber die Inspiration4-Mission bot Wissenschaftlern die Möglichkeit, die frühesten Stadien dieser weltraumbedingten Prozesse im menschlichen Körper zu untersuchen.
Inhaltsübersicht
Chromosomenkappen werden länger
„Wir kommen dem Punkt näher, an dem wir fast die Dosis des Weltraums auf den Körper messen können“, sagte Chris Mason, Professor für Genomik, Physiologie und Biophysik an der Weill Cornell Medicine und Mitglied des wissenschaftlichen Beirats des Biotechnologieunternehmens Seer, dessen Proteograph zur Analyse der Daten verwendet wurde, in einem Interview mit kosmischeweiten.de. „Sie waren nur ein paar Tage im Weltraum, aber wir konnten bereits frühe Signaturen der Raumflugexposition im Körper sehen, einschließlich Proteinveränderungen und Veränderungen der Genexpression.“
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So beobachteten die Forscher beispielsweise, dass Marker, die die Alterung der DNA anzeigen, im Weltraum abnahmen, wodurch die DNA der Besatzungsmitglieder jünger und gesünder erschien. Diese Marker, die so genannten Telomere, sind Schutzkappen für Chromosomen, die sich bekanntermaßen mit zunehmendem Alter und aufgrund von Umweltfaktoren und Stress verkürzen.
Bei den Inspiration4-Teilnehmern jedoch wurden die Telomere während der Weltraummission länger. Wissenschaftler hatten die Telomerverlängerung bereits bei dem NASA-Astronauten Scott Kelly beobachtet, als sie die Auswirkungen seines einjährigen Aufenthalts in der Erdumlaufbahn im Jahr 2015 auf seinen Körper untersuchten. Die Ergebnisse waren schon damals überraschend, da die Forscher aufgrund der hohen Belastung, der der Organismus im Weltraum ausgesetzt ist, das Gegenteil erwartet hatten.
Scott Kelly, hier in der Kuppel der Internationalen Raumstation, beendete im März 2016 eine einjährige Mission. (Bildnachweis: NASA)
Diese Auswirkungen bei den Inspiration4-Besatzungsmitgliedern nach nur wenigen Tagen im Weltraum zu sehen, war noch unerwarteter, sagen die Wissenschaftler.
„Wir haben bei allen vier Besatzungsmitgliedern eine Telomerverlängerung festgestellt“, sagte Susan Bailey, Professorin für Strahlenkrebsbiologie und Onkologie an der Colorado State University, die die Forschung leitete, auf einer Pressekonferenz, auf der die Ergebnisse am Montag, dem 10. Juni, vorgestellt wurden. „Das ist in vielerlei Hinsicht ein bemerkenswerter Befund und hilft uns, unsere Erkenntnisse zu untermauern.“
Die Forscher vermuten, dass die Telomerverlängerung als Schutzreaktion auf die höhere Strahlung im Weltraum ausgelöst wird. Ähnliche Effekte wurden bei Bergsteigern gemessen, nachdem sie die höchsten Gipfel der Welt erklommen hatten.
„Wir denken, dass dies das Äquivalent der Hormesis in der DNA ist“, sagte Mason, Hauptautor von zwei der Studien. „Es ist der Effekt, den wir sehen, wenn man den Körper belastet, zum Beispiel im Fitnessstudio, die Muskeln werden wund, aber der Körper reagiert darauf, indem er Kraft aufbaut.“
Es gibt jedoch einen Haken, sagte Bailey. Nach der Rückkehr der Astronauten zur Erde schrumpfen die Telomere fast sofort und werden kürzer als vor dem Raumflug. Die Forscher, so Bailey, verstehen nicht, was diese Verkürzung auslöst, hoffen aber, dass sie diese Reaktion in Zukunft kontrollieren können.
„Es dauert einige Monate, bis sich die Telomere erholen“, so Bailey. „Es ist eines der Dinge, die nicht ganz dahin zurückkehren, wo man zu Beginn war. Wir denken, dass es eine echte Chance gibt, über die langfristigen gesundheitlichen Folgen für Astronauten nach ihrer Rückkehr zur Erde nachzudenken und darüber, wie wir diese Folgen besser überwachen und verbessern können.“
Die Verkürzung der schützenden Telomere führt zu DNA-Schäden und macht den Menschen anfällig für eine Reihe von Krankheiten wie Krebs, Herzerkrankungen oder Immunschwäche. Die Forschung deutet jedoch darauf hin, dass eine gesunde Ernährung und erholsame Praktiken wie Meditation dazu beitragen können, dass sich diese Chromosomenkappen erholen.
Genauso wie bei Astronauten in Langzeitmissionen zeigten die Körper der Inspiration4-Besatzungsmitglieder während des Raumflugs andere Anzeichen der Alterung, darunter erhöhte Marker für Knochen- und Muskelverlust und Gehirnstress. Diese Werte kehrten jedoch innerhalb von sechs Monaten auf das Niveau von vor dem Flug zurück. Die Inspiration4-Besatzungsmitglieder Hayley Arceneaux und Chris Sembroski, die an dem Briefing teilnahmen, schienen die Verschlechterung ihrer Telomere durch den Weltraumflug nicht zu bedauern.
„Ich war so glücklich, einen Beitrag zur Wissenschaft leisten zu können, und ich weiß, dass es für alle unsere Besatzungsmitglieder sehr wichtig war“, sagte Arceneaux.
Das Besatzungsmitglied der Pioniermission Inspiration4, Hayley Arceneaux, Arzthelferin am St. Jude Children’s Research Hospital und Überlebende einer Kinderkrebserkrankung, umkreiste im September 2021 fast drei Tage lang die Erde. (Bildnachweis: Inspiration4/St. Jude Children’s Research Hospital)
Sembroski fügte hinzu: „Es ist wirklich demütigend und ehrend, Teil dieser Studie zu sein. Ich glaube nicht, dass irgendeines unserer Besatzungsmitglieder das volle Potenzial dieser Mission verstanden hat, aber es war unglaublich, die Auswirkungen zu sehen, die daraus entstanden sind.“
Die Studie ergab auch, dass sich die weiblichen Besatzungsmitglieder Arceneaux und die Geologin Sian Proctor schneller von dem Weltraumflug erholten und die meisten ihrer Gesundheitsmarker schneller wieder das Niveau von vor dem Flug erreichten als ihre männlichen Kollegen Sembroski und der Kommandant und Wohltäter der Mission, Jared Isaacman. Die Ergebnisse bestätigen Beobachtungen bei weiblichen NASA-Astronauten und lassen vermuten, dass der weibliche Körper möglicherweise besser geeignet ist, die Belastungen des Weltraumflugs zu ertragen.
Die Inspiration4-Crew posiert für ein Selfie in der Kuppel des Crew Dragon. (Bildnachweis: Inspiration4)
Die Daten werden Teil eines frei zugänglichen Archivs für biologische Astronautendaten sein, dem Space Omics and Medical Atlas (SOMA), der ebenfalls im Rahmen des Nature-Pakets veröffentlicht wurde. Der Atlas enthält Daten von Langzeit-Weltraummissionen, die von der NASA, der JAXA und der ESA durchgeführt wurden, und ist eine einzigartige Ressource, die es Forschern ermöglicht, die zahlreichen biologischen, physiologischen und genetischen Veränderungen, die während des Raumflugs beim Menschen auftreten können, zu vergleichen und im Detail zu untersuchen.
Die Forscher hoffen, dass die Datenbank es ihnen in Zukunft ermöglichen wird, nicht nur die Menschen auszuwählen, die genetisch am besten geeignet sind, die Strapazen der Raumfahrt zu überstehen, sondern auch Strategien zu entwickeln, um die Ergebnisse für diejenigen zu verbessern, die weniger geeignet sind.
„Wir wollen diese Daten nutzen, um vorherzusagen, wie Menschen auf physiologischer und molekularer Ebene auf den Weltraum reagieren werden“, so Mason. „Letztendlich möchten wir Wege finden, ihre Reaktion zu verstärken, einige der Veränderungen mit einem Medikament gezielt zu beeinflussen und ihnen zu helfen, damit wir niemanden von der Reise ins All ausschließen.“
Mason veröffentlichte im Jahr 2021 ein Buch mit dem Titel „The Next 500 Years: Engineering Life to Reach New Worlds“, in dem er dafür plädiert, Menschen gentechnisch zu verändern, um sie besser für die Erforschung und Besiedlung des Sonnensystems zu qualifizieren. Er räumt ein, dass der derzeitige Wissensstand nicht ausreicht, um an den Genomen der Astronauten etwas zu verändern.
„Wir brauchen wahrscheinlich weitere 20 Jahre an Daten, bevor wir auch nur annähernd wissen, was zu tun ist“, sagt Mason. „Aber dies ist der Anfang, um herauszufinden, auf welche Veränderungen wir abzielen sollten, worauf wir neue Medikamente aufbauen sollten und was wir eines Tages möglicherweise tun können.“
Die Forschung könnte auch Medizinern auf der Erde helfen, die nach Heilmitteln für genetische Krankheiten suchen, die das Leben von Millionen von Kindern auf der ganzen Welt ruinieren und für die es derzeit kein Heilmittel gibt.
Die drei in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studien über diese durch den Weltraumflug verursachten genetischen Veränderungen können hier, hier und hier nachgelesen werden.
