Badania na ISS wykazały, iż wirusy atakujące bakterie zachowują się inaczej niż na Ziemi. To szansa, ale i potencjalne ryzyko.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna kojarzy się nam głównie z astronautami, eksperymentami fizycznymi i widokiem na Ziemię. Tymczasem równolegle trwa tam inny, mniej widowiskowy spektakl, a mianowicie walka mikroorganizmów o przetrwanie. W zamkniętym, szczelnie izolowanym ekosystemie ISS bakterie i wirusy funkcjonują w warunkach niemal nieważkości, a to oznacza, iż obowiązujące na Ziemi reguły nie zawsze działają tak samo. Najnowsze badania pokazują, iż w tej kosmicznej probówce wirusy potrafią ewoluować w niespodziewany sposób.
Kim są bohaterowie eksperymentu?
Zespół z Uniwersytetu Wisconsin-Madison wziął na warsztat bakteriofagi, czyli wirusy atakujące bakterie. To jedne z najliczniejszych organizmów biologicznych na naszej planecie – ich liczba szacowana jest na około 10 do potęgi 31 cząstek. Bakteriofagi wyglądają jak mikroskopijne lądowniki: kapsuła z materiałem genetycznym i nóżki, dzięki którym przyczepiają się do powierzchni komórki.
W badaniu użyto dobrze znanego faga T7, który infekuje pałeczki okrężnicy, czyli bakterię Escherichia coli. To klasyczny model laboratoryjny, ale też patogen odpowiedzialny m.in. za zakażenia układu moczowego. Po przyczepieniu się do komórki fag wstrzykuje do jej wnętrza własny materiał genetyczny, przejmuje kontrolę nad bakteryjną maszynerią i produkuje setki kopii siebie. Na końcu komórka dosłownie pęka, a nowa fala wirusów rusza do ataku.
Ten sam wirus, dwie planety. Jak zaplanowano eksperyment?
Naukowcy przygotowali dwa identyczne zestawy próbek: z E. coli i fagami T7, w tych samych stężeniach, w takich samych pojemnikach i w tej samej temperaturze. Jeden zestaw poleciał na ISS na pokładzie statku Cygnus w 2020 r., drugi został w laboratorium na Ziemi.
Istotne było to, iż próbki były całkowicie zamknięte i nie potrząsane. Miały jak najlepiej naśladować środowisko mikrograwitacji, w którym nie dochodzi do naturalnego mieszania płynów tak jak na Ziemi, gdzie cały czas działa grawitacja. Próbki inkubowano przez godzinę, dwie, cztery oraz przez ponad 3 tygodnie. Czasy dokładnego przebywania materiału na ISS zapisano, a później odtworzono na Ziemi, aby móc porównać wyniki.
Mikrograwitacja spowalnia atak, ale przyspiesza ewolucję
Na Ziemi scenariusz był przewidywalny. Już między drugą a czwartą godziną liczba bakterii gwałtownie spadała, bo kolejne pokolenia wirusów przeprowadzały skuteczny szturm. W warunkach mikrograwitacji ta faza dramatycznego załamania populacji E. coli w ogóle się nie pojawiła w krótkich próbach.
Wszystko wskazuje więc na to, iż w pobliżu stanu nieważkości fagom i bakteriom znacznie trudniej się ze sobą spotkać. Brakuje konwekcyjnego mieszania płynów, więc wirusy rzadziej dosłownie wpadają na swoje ofiary. Do tego dochodzi stres środowiskowy – same bakterie mogą zmieniać powierzchnię komórek czy tempo procesów wewnątrz, co dodatkowo utrudnia infekcję.
Kiedy jednak naukowcy zajrzeli do próbek po 23 dniach, okazało się, iż wirusy na ISS tak naprawdę wykonały swoją pracę. Bakterii było wyraźnie mniej, co oznacza, iż cykl infekcji w końcu się rozkręcił. Tyle iż po drodze cały układ zdążył się solidnie zmienić.
Kosmiczne mutacje wirusów i bakterii
Sekwencjonowanie materiału genetycznego pokazało, iż fag T7, który wrócił z ISS, w wielu miejscach różni się od swojego ziemskiego bliźniaka. Zmiany dotyczyły przede wszystkim genów odpowiedzialnych za budowę cząstki wirusa oraz za to, jak dokładnie łączy się on z komórką gospodarza. Innymi słowy, mikrograwitacja wypchnęła ewolucję w rejony genomu, który na Ziemi rzadziej jest tak intensywnie przepisywany przez dobór naturalny.
Zmiany zaszły także po stronie bakterii. E. coli, które musiały mierzyć się z atakiem fagów, zgromadziły dużo więcej mutacji niż próbki hodowane bez wirusowej presji. Najmocniej oberwały geny związane z błoną zewnętrzną komórki. jeżeli wirus rozpoznaje ofiarę po strukturach na jej powierzchni, zmiana tej powierzchni może być sposobem ucieczki.
Mikrograwitacja jako kosmiczny akcelerator nowych terapii
Badacze nie poprzestali na samym opisie zmian. Jak czytamy na łamach Space.com, wykorzystali technikę zwaną głębokim skanowaniem mutacyjnym, w której systematycznie testuje się tysiące wariantów jednej cząstki, aby sprawdzić, które mutacje dają przewagę. Okazało się, iż zwycięskie wersje faga wyselekcjonowane w mikrograwitacji różnią się od tych, które najlepiej radzą sobie w ziemskim laboratorium.
Najciekawsze zaczęło się jednak wtedy, gdy te kosmicznie wytrenowane warianty skierowano przeciw szczepom E. coli wywołującym zakażenia układu moczowego i odpornym na klasyczną wersję T7. Okazało się, iż część kosmicznych mutacji pozwala skutecznie zabijać opornych ziemskich przeciwników. W praktyce oznacza to, iż ISS może stać się swego rodzaju akceleratorem ewolucji, w którym wykuwa się nowe generacje wirusów leczniczych do walki z bakteriami odpornymi na antybiotyki.
A co z bezpieczeństwem astronautów?
Wyniki badań brzmią jak początek scenariusza książki lub filmu: szaleńcze wirusy, które uczą się w kosmosie nowych sztuczek, po czym wracają na Ziemię silniejsze niż wcześniej. Naukowcy tonują jednak emocje. Obiektami ich badań są bakteriofagi, czyli wirusy wyspecjalizowane w atakowaniu bakterii, a nie ludzi.
Zespół podkreśla, iż to dopiero początek badań nad tym, jak mikrograwitacja zmienia ewolucję mikroorganizmów. Trzeba jeszcze sprawdzić, czy podobne mechanizmy mogą dotyczyć patogenów zdolnych do wywoływania chorób u człowieka. Nie można wykluczyć, iż w długotrwałych misjach załogowych niektóre drobnoustroje z czasem staną się bardziej dokuczliwe, dlatego przyszłe eksperymenty mają badać między innymi wrażliwość bakterii na antybiotyki w warunkach kosmicznych.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
