Почему организм космонавта атрофируется при длительном пребывании в невесомости

Длительное нахождение в космосе негативно сказывается на человеческом организме: космонавты испытывают быструю атрофию мышц и снижение прочности костей. Исследователи долго искали причины этих процессов на клеточном уровне. Новое исследование, проведенное на борту Международной космической станции и в наземных лабораториях, выявило детальный молекулярный механизм этого явления. Выяснилось, что отсутствие силы тяжести нарушает работу митохондрий — энергетических станций клеток. Об этом сообщат сайт TechInsider.

Исследования в области космической биологии имеют значительное значение для медицины на Земле. Открытие молекулярного механизма увядания клеток в условиях невесомости открывает новые возможности для борьбы с саркопенией — возрастной атрофией скелетной мускулатуры, что приводит к потере силы у пожилых людей. Понимание того, как механическое сцепление клеток управляет митохондриями, может помочь в создании препаратов, замедляющих старение и поддерживающих здоровье лежачих больных.

На Международной космической станции митохондрии в клетках человека и червей производят значительно меньше белков. Ранее наука уже имела данные о том, что космические полеты повреждают митохондрии и влияют на транскрипцию ДНК в матричную РНК (мРНК).

В новом исследовании японская команда из института RIKEN под руководством молекулярного биолога Синтаро Ивасаки, опубликованного в журнале Nature Communications, сосредоточилась на процессе трансляции — этапе, когда рибосомы синтезируют белки по мРНК.

Эксперименты, проведенные космонавтами на орбите с культурами человеческих клеток, показали заметное снижение синтеза митохондриальных белков уже через сутки в невесомости. Контрольные образцы, вращавшиеся в центрифуге с имитацией земного притяжения, не продемонстрировали таких изменений.

Аналогичные результаты были получены при исследовании личинок червей Caenorhabditis elegans, находившихся в невесомости четыре дня. Последующие эксперименты на Земле с использованием клиностата — прибора, имитирующего ослабленное притяжение путем вращения клеток, подтвердили эту закономерность. Через 24 часа работы прибора в клетках человека снизилось производство 13 белков митохондрий, а продолжение эксперимента до трех суток еще сильнее усугубило этот процесс.

Космический биолог Томас Коридон из Орхусского университета в Дании отметил: «Хорошо известно, что микрогравитация снижает или изменяет экспрессию генов. Но данный анализ впервые наглядно демонстрирует, как именно отсутствие тяжести влияет на клетки непосредственно на белковом уровне».

Чтобы разобраться в причинах происходящего, исследователи обратили внимание на клеточную адгезию — способность клеток связываться друг с другом в тканях с помощью поверхностных белков. Выяснилось, что именно нарушение механической силы клеточного сцепления в невесомости запускает негативные изменения в митохондриях.

Когда авторы работы обработали клетки специальными белками, поддерживающими адгезию, перед помещением в клиностат, синтез белка в митохондриях восстановился до нормы. Напротив, вещества, мешающие сцеплению клеток, полностью блокировали митохондриальную трансляцию и снижали потребление кислорода.

Теперь команда Синтаро Ивасаки планирует продолжить работу по поиску химических соединений и лекарств, способных активировать трансляцию в митохондриях. Это поможет не только разработать эффективные средства защиты здоровья космонавтов при полетах в дальний космос, но и найти новые подходы к лечению возрастных заболеваний на Земле.