在太空任務(wù)中監(jiān)測宇航員的健康狀況面臨諸多挑戰(zhàn)，其中包括快速評估乘員的健康狀況。靈敏的基因診斷對于檢查航天員和航天器環(huán)境至關(guān)重要。CRISPR-Cas12a與等溫擴增相結(jié)合，已被證明是一種有前途的生物傳感系統(tǒng)，可用于快速、現(xiàn)場檢測基因組目標(biāo)。然而，基于CRISPR診斷的效率和靈敏度還從未在微重力環(huán)境中進行過測試。宇航員在國際空間站上首次測試了使用重組酶聚合酶擴增（RPA）結(jié)合Cas12a的附帶裂解活性進行基因診斷。宇航員探索了擴增和未擴增靶DNA的檢測靈敏度。通過將RPA與Cas12a結(jié)合，研究鑒定了渺摩爾級（attomolar）的靶標(biāo)。進一步還評估了反應(yīng)長期儲存后的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，基于CRISPR的檢測是在微重力環(huán)境下進行現(xiàn)場基因診斷的有力工具，并可進一步用于長期的太空努力，以改善宇航員的健康和福祉。
研究亮點
1.基于CRISPR的基因診斷技術(shù)成功應(yīng)用于微重力環(huán)境。
2.將Cas12a附帶活性與重組酶聚合酶擴增（RPA）相結(jié)合，可檢測到渺摩爾級（attomolar）濃度的DNA。
3.冷凍長期儲存后保持檢測穩(wěn)定性，因此可用于長期太空任務(wù)。

研究背景
基因診斷可加深對空間飛行任務(wù)期間環(huán)境條件的了解，并在宇航員的治療中發(fā)揮關(guān)鍵作用。如果沒有對不同樣本進行機載基因檢測的手段，只能在著陸后進行調(diào)查，這既不及時，也可能造成偏差。此外，機載基因診斷可有利于食品安全和可持續(xù)太空農(nóng)業(yè)，特別是用于分析潛在的植物病原體和監(jiān)測微生物組的發(fā)展。

最近的幾項研究建立了飛行基因診斷方法。聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）和納米孔測序在國際空間站（ISS）上成功運行。使用16S測序進行細(xì)菌分析和拭子到測序儀實驗也已完成。
近年來，基于CRISPR-Cas的技術(shù)在基因診斷領(lǐng)域掀起了一場革命。這些系統(tǒng)包括CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）陣列和Cas（CRISPR相關(guān)）蛋白。CRISPR陣列被轉(zhuǎn)錄并加工成短向?qū)�RNA（gRNA）序列，與Cas蛋白結(jié)合并引導(dǎo)它們到達基因組靶點，然后以精確高效的方式裂解靶點。這種利用gRNA將DNA或RNA切割蛋白引導(dǎo)至特定基因組位點的能力使CRISPR-Cas系統(tǒng)成為一種多功能、強大的基因組編輯工具。這已在整個生命樹中得到證實，最近還在微重力環(huán)境中得到證實。

除了各種基因組編輯應(yīng)用外，特定的Cas蛋白，如Cas12a和Cas13，還具有附帶功能：在靶標(biāo)檢測和裂解后，這些蛋白分別不加區(qū)分地裂解單鏈DNA（ssDNA）或單鏈RNA（ssRNA）。利用這一功能開發(fā)了基于ssDNA探針的靈敏特異的DNA檢測測定DETECTR和利用Cas13感知RNA分子的SHERLOCK。DETECTR探針由連接熒光團和淬滅劑的短ssDNA序列組成。識別靶標(biāo)后，Cas12裂解ssDNA探針，從淬滅劑中釋放熒光團，產(chǎn)生熒光信號（圖1a）。該技術(shù)已被FDA批準(zhǔn)用于SARS-CoV2的檢測。

實時PCR（RT-PCR）被廣泛用于基因診斷，但它需要專業(yè)的設(shè)備和合格的人員。RT-PCR將擴增和熒光檢測結(jié)合在一起，而DETECTR和SHERLOCK則采用單獨的擴增步驟，然后進行檢測。PCR是DNA擴增的黃金標(biāo)準(zhǔn)方法，已被證明可與Cas12a基因鑒定檢測結(jié)合使用。然而，對于DNA的現(xiàn)場檢測，兩種等溫擴增方法是Cas12a的常規(guī)使用方法：(a)環(huán)介導(dǎo)等溫擴增（LAMP）和(b)重組酶聚合酶擴增（RPA）。

2022年4月8日，首次私人軌道太空飛行從卡納維拉爾角起飛前往國際空間站。以色列宇航員Eytan Stibbe參加了這次飛行，以完成 "Rakia "任務(wù)，其中包括數(shù)十項科學(xué)實驗。作為此次任務(wù)的一部分，宇航員測試了微重力環(huán)境下Cas12a和RPA擴增的附帶活性（圖1c）。我們以生命樹不同分支的三種生物為目標(biāo)：大腸埃希氏菌、釀酒酵母和梭形芽孢桿菌。該研究結(jié)果表明，基于CRISPR的高精度基因診斷可以在微重力環(huán)境下進行。在太空中快速輕松地檢測遺傳物質(zhì)的能力可作為未來太空旅行任務(wù)的寶貴工具。

研究結(jié)果：
編者注：該研究首次在外太空成功實現(xiàn)了CRISPR診斷測試，預(yù)示著不久將來該技術(shù)可能會走進千家萬戶，其次隨著未來太空移民，任何星球應(yīng)該也能開展CRISPR診斷。

文獻來源：
Alon DM,Mittelman K,Stibbe E,Countryman S,Stodieck L,Doraisingam S,Leal Martin DM,Hamo ER,Pines G,Burstein D.CRISPR-based genetic diagnostics in microgravity.Biosens Bioelectron.2023 Jul 5;237:115479.doi:10.1016/j.bios.2023.115479.Online ahead of print.