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漫漫长征路究竟有多长
发表时间:2017-12-16 05:21:13 信息来源:光明网 

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  北京理工大学自主研制的空间生命科学载荷搭乘“龙”飞船一飞冲天

  中国实验首访国际空间站

  卡纳维拉尔角闷热的初夏傍晚,强烈火光炸开云层。

  美国太空探索技术公司“猎鹰9”火箭又一次腾空而起,于美国东部时间3日下午5时07分(北京时间4日上午5时07分),从佛罗里达州卡纳维拉尔角39A发射台将“龙”飞船送往国际空间站。

  不同以往,此次飞船的“乘客”中,有一位中国“客人”。美国航天局发言人凯瑟琳·汉布尔顿证实,由北京理工大学邓玉林教授团队独立设计的一个实验项目搭乘“龙”飞船上天。这个项目名为“空间环境下在PCR反应中DNA错配规律研究的科学载荷”,旨在研究空间辐射及微重力环境对抗体编码基因的突变影响。

  这一创举,标志着我国自主研制科学实验将首次登入国际空间站,也标志着中美空间科学合作取得突破。“我们以科学的名义,将中国自主设计和研制的实验第一次送去国际空间站,中国科学家做的是纯粹的科学实验,成果将造福全人类。”邓玉林说。

  研究

  空间辐射及微重力环境对抗体编码基因的突变影响

  据介绍,在空间飞行过程中航天员将面临多种健康威胁,其中空间辐射和微重力是导致航天员生理功能失调的重要因素,重离子是空间带电粒子的重要组成部分,重离子辐射可导致多种DNA损伤和基因突变。空间微重力环境可导致多种细胞生理学功能失衡,如细胞骨架重塑、DNA修饰及发生异常的分子间相互作用等等。本次研究就是从关注航天员生命健康切入,延展到空间环境影响微(分子)进化的探索。

  “此次载荷是采用微流控PCR仪,对抗体DNA片段进行在轨飞行状态下的基因扩增,来模拟人类生命的延续与发展。在空间飞行结束后,分析基因突变规律,进而探讨空间辐射及微重力环境下的基因诱变机理。”团队主要成员、北京理工大学生命学院副教授李晓琼介绍。

  本次升空的空间生命科学载荷,由邓玉林团队自主创新研制,是继该团队所研制的载荷在2011年神舟八号搭载、2016年长征七号首飞搭载以及2017年天舟一号搭载之后的又一次“太空之旅”。

  在神舟八号载荷实验的研究中,他们发现了一些令人吃惊的现象。“当时,我们带了几种不同类型的基因上去进行扩增,但当载荷返回地面进行测定时,我们发现几种基因有很大的差别,代表神经、代谢系统功能的基因变化很少,而代表反应免疫的基因变化却很多。”邓玉林说。

  研究团队推断,空间环境之于基因突变可能与生物分子进化有着重要的联系。邓玉林团队提出大胆设想,即将抗体编码基因片段作为研究空间环境对分子进化影响的模型,并由此设计、研制了此次空间实验。依照计划,该实验载荷将被带入国际空间站的美国实验舱,由美国宇航员进行两次实验。载荷预计于7月回收,实验数据将传回北京理工大学。

  探索

  在严苛条件下实现20种基因的突变规律研究

  此次空间实验不仅具有理论上的创新,在技术上也做出了多种新的探索。邓玉林介绍说,该实验载荷的体积为4个U(400×100×100mm),重约3.5公斤。搭载共有两组、12块芯片,60个通道,将对20个基因在空间辐射及微重力环境下,在轨开展抗体编码基因的突变规律研究。“能在体积如此严苛的载荷条件下,实现20种基因的突变规律研究,这一技术在国际上也是领先的。”他说。

  团队利用微流控芯片模拟人体发育过程,利用扩增技术模拟细胞中基因复制,实现对生命扩增与发展的动态过程模拟,从而掌握环境对基因扩增的影响;同时,团队突破了在太空变温条件下实现基因扩增的技术难题,“温度过高会给芯片带来巨大的压力,容易产生破裂。2011年‘神八’搭载时,我们就攻克了这项难关——用微流控芯片来实现变温PCR扩增技术,在‘狭小’的载荷仪器中,开展‘大量’的科学研究。”李晓琼说。

  邓玉林说,“这是一项基础性生命科学研究,具有重大的科学意义,其潜在应用价值十分广泛”。“团队在国际上首次利用空间环境开展‘微进化’研究,一方面有助于我们认识空间环境对于生物进化规律的影响,另一方面有助于我们掌握基因突变规律,对其做出相应改变和修饰,更好地适应环境,这对人类发展具有重要的影响。”北理工生命学院王睿博士说。

  为什么一定要在空间环境操作实验?邓玉林说:“作为一个绝佳的试验平台和创新平台,空间站可以为我们提供难得的条件来了解地面上难以了解的知识。比如,人类长期在地面进化,但有很多生命科学现象在进化过程中被掩盖了。因此,如果到空间环境开展科学实验,就有可能发现在地面上不了解和难以发现的现象和知识。”

  破冰

  通过商业模式开辟中美太空合作新途径

  这并非一次“说走就走的旅行”。

  受阻于美国国会首次于2011年通过的“沃尔夫条款”,中美两国之间任何与美国航天局有关或由白宫科技政策办公室协调的科研合作均遭到限制,其涉及范围广泛,界限模糊,即使中美民间科学项目合作有时也会受到影响。

  在这一背景下,此次中国自主研制的实验项目通过商业合作模式前往国际空间站,具有“破冰”意义,颇受关注。通过商业合作模式实现中美空间站领域合作,也为中美太空合作开辟了新的途径,开创了中美空间领域合作的新局面。

  邓玉林团队在2015年8月与美国纳诺拉克斯公司签署协议,并通过各项审查,为国际空间站带去首个中国项目。事实上,从2011年初具实验设想,到2015年通过各项审查,获得美国航天局批准,直至载荷最终升空……用邓玉林的话说,“其间经历数次推迟,过程中有太多障碍和困难”。

  根据双方协议,美方将把北理工校旗带到国际空间站,未来宇航员将在空间站内展开,据介绍,这也是中国高校校旗首次出现在国际空间站内。美国佛罗里达航空局商业发展部负责人托尼·甘农赞叹道:“中国科研人员已经证明,他们是真正的科学家。科学探索是全人类的事业,我们必须打开大门,欢迎更多来自中国的科研院校将他们的科学实验从这里送往国际空间站。”

  此次中国自主研制的实验项目,通过商业合作模式前往国际空间站,颇受关注。美国太空网评论说,这一合作或将融化中美太空合作的“坚冰”。美国多个太空政策专家则认为,这开拓了一种全新商业合作模式,可能成为中美两国未来联合开展工作的重要一步。

  (综合本报记者赵婀娜、张朋辉与新华社记者郭爽、林小春、郭一娜报道,辛嘉洋参与采写)

 
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