Narastająca oporność bakterii na antybiotyki to jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Naukowcy coraz częściej sięgają po rozwiązania wykraczające poza klasyczne laboratoria – także poza granice Ziemi. Najnowsze badania pokazują, że warunki mikrograwitacji na Międzynarodowa Stacja Kosmiczna mogą sprzyjać powstawaniu wirusów zdolnych do skuteczniejszego zwalczania bakterii opornych na leki. Odkrycia te otwierają nowy rozdział w badaniach nad terapią fagową i mikrobiologią kosmiczną.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego mikrograwitacja na ISS zmienia sposób, w jaki wirusy i bakterie wchodzą w interakcje,
- Jak warunki kosmiczne prowadzą do unikalnych mutacji fagów, niewystępujących na Ziemi,
- W jaki sposób badania orbitalne mogą pomóc w zwalczaniu bakterii opornych na antybiotyki,
- Dlaczego kosmos staje się nowym laboratorium biomedycznym dla terapii przyszłości.
Kosmos jako laboratorium ewolucji mikroorganizmów
We wrześniu 2020 roku biochemicy z University of Wisconsin–Madison wysłali w przestrzeń kosmiczną niewielkie urządzenie zawierające bakterie oraz fagi – wirusy infekujące bakterie. Celem eksperymentu było sprawdzenie, jak mikroorganizmy, podobne do tych zasiedlających ludzki mikrobiom jelitowy, reagują na środowisko mikrograwitacji.
Po 25 dniach inkubacji na ISS próbki wróciły na Ziemię, gdzie porównano je z identycznymi eksperymentami prowadzonymi w warunkach ziemskiej grawitacji. Wyniki okazały się zaskakujące i miały znaczenie wykraczające daleko poza badania kosmiczne.
„To nie tylko badanie kosmosu” – cel projektu
Jak podkreśla kierujący projektem prof. Vatsan Raman, badania od początku miały wymiar translacyjny:
Nasz eksperyment miał na celu coś więcej niż tylko poznanie tego, co dzieje się podczas podróży bakterii i fagów w przestrzeni kosmicznej. Stawiamy pytania o to, jak mutacje nabyte w kosmosie mogą mieć znaczenie na Ziemi.
Wyniki pracy zespołu zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie PLOS Biology, co potwierdza ich wagę dla światowej społeczności naukowej.
Mikrograwitacja zmienia „wyścig zbrojeń” między bakteriami a wirusami
Na Ziemi bakterie i fagi pozostają w ciągłym ewolucyjnym konflikcie. Bakterie modyfikują swoje mechanizmy obronne, a wirusy odpowiadają nowymi sposobami infekowania. W warunkach mikrograwitacji ten proces przebiega jednak inaczej. Jak wyjaśnia Philip Huss, główny autor badania:
Kosmos to wyjątkowe środowisko. Ma potencjał, by ujawnić ukryte na Ziemi możliwości ewolucji fagów.
Brak grawitacji sprawia, że mikroorganizmy nie opadają i nie mieszają się w typowy sposób. Rzadziej dochodzi do przypadkowych „kolizji” bakterii i wirusów, co zmusza oba organizmy do zupełnie nowych strategii przetrwania.
Inne mutacje, inne reguły infekcji
Sekwencjonowanie całego genomu wykazało, że mutacje bakterii i fagów rozwijających się na ISS znacząco różniły się od tych obserwowanych na Ziemi. W przestrzeni kosmicznej:
- białka na powierzchni bakterii ulegały zmianom,
- fagi mutowały w taki sposób, aby skuteczniej wiązać się z tymi nowymi strukturami,
- infekcja była początkowo spowolniona, ale ostatecznie prowadziła do skutecznego niszczenia bakterii.
Autorzy badania podsumowali to następującymi słowami:
Kosmos radykalnie zmienia sposób, w jaki fagi i bakterie oddziałują na siebie: infekcja jest spowolniona, a oba organizmy ewoluują po innej trajektorii niż na Ziemi.
Od eksperymentu orbitalnego do terapii na Ziemi
Najbardziej przełomowy aspekt badań ujawnił się po powrocie próbek na Ziemię. Fagi, które nabyły specyficzne mutacje w warunkach mikrograwitacji, zostały wykorzystane do zwalczania bakterii odpowiedzialnych za zakażenia układu moczowego. To właśnie te patogeny w ponad 90% przypadków wykazują oporność na co najmniej jeden antybiotyk. Prof. Raman przyznaje, że efekty były nieoczekiwane:
Odkryliśmy, że nowe kombinacje mutacji fagowych były naprawdę skuteczne w zwalczaniu patogenów ZUM na Ziemi. To dość zaskakujące.
Jedna z hipotez zakłada, że stres środowiskowy, jakiego doświadczają bakterie w mikrograwitacji, może przypominać warunki panujące w ludzkim organizmie podczas infekcji, co prowadzi do podobnych zmian w ich białkach powierzchniowych.
Szansa w walce z kryzysem antybiotykooporności
Oporność bakterii na leki uznawana jest przez WHO za jedno z największych zagrożeń zdrowia publicznego. Badania prowadzone na ISS sugerują, że kosmos może stać się nieoczekiwanym sojusznikiem w walce z tzw. superbakteriami.
Naukowcy już planują kolejne eksperymenty, obejmujące bardziej złożone układy wielu fagów i bakterii, lepiej odzwierciedlające realną złożoność ludzkiego mikrobiomu. Jak podsumowuje Philip Huss:
Teraz jesteśmy gotowi badać układy wielu fagów i bakterii, które lepiej odzwierciedlają złożoność ludzkiego mikrobiomu. Jakie nowe interakcje zachodzą w kosmosie i czego możemy się z nich nauczyć tutaj, na Ziemi?
Główne wnioski
- Badania na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej wykazały, że mikrograwitacja zaburza ewolucyjny „wyścig zbrojeń” między bakteriami a fagami, prowadząc do odmiennych trajektorii mutacji.
- Fagi hodowane w kosmosie nabyły unikalne mutacje białek wiążących receptory, które różnią się od tych obserwowanych w warunkach ziemskich.
- Mutacje powstałe w mikrograwitacji umożliwiły fagom skuteczne zakażanie szczepów E. coli opornych na leki, w tym patogenów odpowiedzialnych za zakażenia układu moczowego.
- Wyniki sugerują, że badania mikroorganizmów na orbicie mogą stać się nowym narzędziem w projektowaniu terapii fagowych i odpowiedzią na narastający kryzys antybiotykooporności.
Źródło:
- https://news.wisc.edu/microbes-mutated-in-space-hint-at-biomedical-benefits-to-humans-on-earth/
- https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3003568
